Pesquisadores relatam ligas metálicas que poderiam suportar energia de fusão nuclear

24 de janeiro de 2023

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por Sarah Wong, Pacific Northwest National Laboratory

No final de 2022, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore anunciaram que haviam observado um ganho líquido de energia por meio da fusão nuclear pela primeira vez. Este marco monumental em direção à energia de fusão representa um grande avanço na geração de energia para nossas casas e empresas com a fonte de energia neutra em carbono. Mas converter essa conquista científica em uma fonte de energia prática também requer novas tecnologias para tornar uma sociedade movida a fusão uma realidade.

Cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e do Instituto Politécnico da Virgínia e da Universidade Estadual (Virginia Tech) estão ajudando a concretizar esse objetivo por meio de seus esforços de pesquisa de materiais. Seu trabalho recente, publicado na Scientific Reports, defende as ligas pesadas de tungstênio e mostra como elas podem ser melhoradas para uso em reatores avançados de fusão nuclear, imitando a estrutura das conchas.

“Este é o primeiro estudo a observar essas interfaces de materiais em escalas de comprimento tão pequenas”, disse Jacob Haag, primeiro autor do trabalho de pesquisa. "Ao fazer isso, revelamos alguns dos mecanismos fundamentais que governam a resistência e durabilidade do material."

O sol – com uma temperatura central de cerca de 27 milhões de graus Fahrenheit – é alimentado por fusão nuclear. Portanto, não é de surpreender que as reações de fusão produzam muito calor. Antes que os cientistas possam aproveitar a energia de fusão como fonte de energia, eles precisam criar reatores de fusão nuclear avançados que possam suportar altas temperaturas e condições de irradiação que acompanham as reações de fusão.

De todos os elementos da Terra, o tungstênio tem um dos pontos de fusão mais altos. Isso o torna um material particularmente atraente para uso em reatores de fusão. No entanto, também pode ser muito frágil. A mistura de tungstênio com pequenas quantidades de outros metais, como níquel e ferro, cria uma liga mais resistente do que o tungstênio sozinho, mantendo sua alta temperatura de fusão.

Não é apenas sua composição que dá a essas ligas pesadas de tungstênio suas propriedades - o tratamento termomecânico do material pode alterar propriedades como resistência à tração e tenacidade à fratura. Uma técnica particular de laminação a quente produz microestruturas em ligas pesadas de tungstênio que imitam a estrutura do nácar, também conhecido como madrepérola, em conchas. O nácar é conhecido por exibir uma força extraordinária, além de suas belas cores iridescentes. As equipes de pesquisa do PNNL e da Virginia Tech investigaram essas ligas pesadas de tungstênio que imitam o nácar para possíveis aplicações de fusão nuclear.

"Queríamos entender por que esses materiais exibem propriedades mecânicas quase sem precedentes no campo de metais e ligas", disse Haag.

Para obter uma visão mais detalhada da microestrutura das ligas, Haag e sua equipe usaram técnicas avançadas de caracterização de materiais, como microscopia eletrônica de transmissão de varredura para observar a estrutura atômica. Eles também mapearam a composição em nanoescala da interface do material usando uma combinação de espectroscopia de raios-X de energia dispersiva e tomografia de sonda atômica.

Dentro da estrutura semelhante ao nácar, a liga pesada de tungstênio consiste em duas fases distintas: uma fase "dura" de tungstênio quase puro e uma fase "dúctil" contendo uma mistura de níquel, ferro e tungstênio. Os resultados da pesquisa sugerem que a alta resistência das ligas pesadas de tungstênio vem de uma excelente ligação entre as fases diferentes, incluindo fases "duras" e "dúcteis" intimamente ligadas.