Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y del Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia están empleando sus esfuerzos en investigación de materiales para hacer realidad el objetivo de producir energía mediante fusión nuclear.
En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, los investigadores defienden la mejora de las aleaciones pesadas de tungsteno para su uso en reactores avanzados de fusión nuclear imitando la estructura de las conchas marinas.
Jacob Haag, primer autor del artículo, explica que el Sol, cuyo núcleo tiene una temperatura de unos 27 millones de grados Fahrenheit, funciona mediante fusión nuclear. Por tanto, no es de extrañar que las reacciones de fusión produzcan mucho calor.
Esto significa que antes de que los científicos puedan aprovechar la energía de fusión como fuente de energía, necesitan crear reactores de fusión nuclear avanzados que puedan soportar las altas temperaturas y las condiciones de irradiación que conllevan las reacciones de fusión.
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Tungsteno: un metal altamente atractivo para la fusión nuclear
El tungsteno es uno de los elementos con los puntos de fusión más altos, lo que lo convierte en un material especialmente atractivo para su uso en reactores de fusión. Sin embargo, el tungsteno también puede ser muy frágil. Mezclándolo con pequeñas cantidades de otros metales, como níquel y hierro, se crea una aleación más resistente que el tungsteno por sí solo, al tiempo que conserva su alta temperatura de fusión.
El tungsteno, o wolframio, es un elemento químico de símbolo W y número atómico 74. Es un metal raro que se encuentra en la naturaleza casi exclusivamente en forma de compuestos con otros elementos.
Según Haag, no es sólo su composición lo que confiere a estas aleaciones de tungsteno pesado sus propiedades: el tratamiento termomecánico del material puede alterar propiedades como la resistencia a la tracción y la tenacidad a la fractura.
Imita las estructuras de las conchas marinas
Una técnica especial de laminado en caliente produce microestructuras en las aleaciones de tungsteno pesado que imitan la estructura del nácar de las conchas marinas. El nácar es conocido por su extraordinaria resistencia.
Para conocer más de cerca la microestructura de las aleaciones, Haag y su grupo utilizaron microscopía electrónica de transmisión de barrido para observar la estructura atómica. También cartografiaron la composición a nanoescala de la interfaz del material mediante una combinación de espectroscopia de rayos X de energía dispersiva y tomografía de sonda atómica.
Los equipos de investigación del PNNL y Virginia Tech investigaron estas aleaciones pesadas de tungsteno que imitan el nácar para posibles aplicaciones de fusión nuclear.
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Dentro de la estructura en forma de nácar, la aleación pesada de tungsteno consta de dos fases distintas: una fase “dura” de tungsteno casi puro y una fase “dúctil” que contiene una mezcla de níquel, hierro y tungsteno. Los resultados de la investigación sugieren que la alta resistencia de las aleaciones de tungsteno pesado se debe a la excelente unión entre las fases disímiles, incluidas las fases “dura” y “dúctil” íntimamente unidas.
“Aunque las dos fases distintas crean un compuesto resistente, plantean importantes retos a la hora de preparar muestras de alta calidad para su caracterización”, declaró en un comunicado de prensa Wahyu Setyawan, científico computacional del PNNL y coautor del artículo. “Los miembros de nuestro equipo hicieron un excelente trabajo al hacerlo, lo que nos permite revelar la estructura detallada de los límites interfásicos, así como la gradación química a través de estos límites”.
El estudio demuestra cómo la estructura cristalina, la geometría y la química contribuyen a crear fuertes interfaces materiales en las aleaciones pesadas de wolframio. También revela mecanismos para mejorar el diseño y las propiedades de los materiales para aplicaciones de fusión.
“Si estas aleaciones bifásicas se van a utilizar en el interior de un reactor nuclear, es necesario optimizarlas para que sean seguras y duraderas”, dijo Haag.
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