Eksperter lægger mærke til korrosion for fremtidens fusion

Praktisk fusionsenergi er ikke bare en drøm på Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Eksperter i fusion og materialevidenskab arbejder sammen om at udvikle løsninger, der vil gøre et fusionspilotanlæg – og i sidste ende kulstoffrit, rigeligt fusionselektricitet – muligt.

Som leder af laboratoriets Fusion Nuclear Science, Technology and Engineering Sektion er Chuck Kessel bekendt med de materialeudfordringer, der skal løses for at bygge et kraftværk. Kessel behøvede ikke at lede længere end Bruce Pint, leder af ORNL's Corrosion Science and Technology Group, efter en samarbejdspartner.

Pint har studeret korrosionsbestandige højtemperaturmaterialer til energiproduktionsapplikationer i årtier. Hans arbejde har hovedsageligt fokuseret på gas-metal eller legeringskorrosion og oxidation til kul-, gas- og atomkraftværker. At undersøge ætsende væsker i sammenhæng med fusionsenergi repræsenterer en anderledes og hårdere udfordring.

"Det er en lille smule videnskab og en lille smule kunst, der indgår i det hele," sagde Pint.

En kritisk udfordring for fusion er, hvordan man producerer og genvinder tritium, en tung brintisotop, der sammen med sin lettere fætter deuterium vil tjene som brændstof til morgendagens fusionsreaktorer.

I en fusionsreaktion opvarmes disse isotoper til sollignende temperaturer i et plasma, hvor de kolliderer for at danne helium og en neutron, og frigiver energi i form af kinetisk energi. Ved at rette disse hurtige neutroner mod det mere almindelige metal lithium, kan forskere producere tritium i selve reaktoren.

En lovende strategi til fremstilling af tritium i en fusionsreaktor involverer kanalisering af flydende bly-lithium gennem reaktorens "tæppe" - de indvendige vægge, der er lavet af specialiseret stål med siliciumcarbid-strømningskanalindsatser. Der er dog en hage:Den løbende strøm af bly-lithium vil gradvist tære på stålet. At minimere denne korrosion er et afgørende skridt for et levedygtigt fusionskraftværk.

"Denne type tæppe, med en flydende opdrætter, der flyder igennem det og korroderer disse materialer, er fundamentalt begrænset af denne korrosionsmekanisme," sagde Kessel.

Marie Romedenne, der studerede flydende metaller til sin doktorgrad og kom til ORNL i 2019, hjælper Pint og lærer mere om ORNL's flydende metal eksperimentelle metoder, der er blevet brugt siden 1950'erne.

Mange faktorer bidrager til korrosionshastigheder, herunder sammensætningen af ​​de udsatte materialer; hvor længe den er udsat; hvor hurtigt væsken flyder; de stærke magnetiske felter, der bruges til at kontrollere og begrænse plasmaet; temperaturen; og urenheder i systemet. Denne korrosionsudfordring gav Pint og Romedenne chancen for at kortlægge adskillige eksperimenter designet til at afvikle disse faktorer, mens de kom tættere på forholdene i en egentlig fusionsreaktor.

Holdet byggede en række flowløkker, der testede materialer under forskellige forhold, herunder temperaturer op til 700 grader Celsius. Inde i løkken indsatte forskerne prøver af et stål svarende til det, der ville blive brugt til komponenter i en fusionsenhed, plus prøver af siliciumcarbid. Ifølge nuværende fusionsdesign reducerer siliciumcarbid trykfaldet i bly-lithium-strømmen ved elektrisk at isolere væsken fra stålvæggene. Denne tilgang understøtter de tre materialer, der sameksisterer og interagerer, hvor bly-lithium medierer mellem stål og siliciumcarbid.

Efter hvert 1.000 timers eksperiment blev prøverne testet for at se, om de var blevet skøre, og hvor meget masse der var gået tabt ved opløsning i det flydende blylithium eller alternativt tilsat af nydannede forbindelser.

I det første eksperiment fandt Pint og Romedenne ud af, at jern og krom fra stålet opløstes i væsken, som derefter reagerede med siliciumcarbidprøverne for at danne intermetalliske forbindelser, silicider og jern- og kromcarbider. Da disse nydannede forbindelser strømmede gennem løkken, akkumulerede de på siliciumcarbidprøverne i den køligere ende af løkken, hvilket resulterede i et relativt tykt lag.

"Det var faktisk ret spektakulært - et par hundrede mikrometer tykt," sagde Pint. "Jeg tænkte, at den måske ville reagere en lille smule. Jeg havde ikke forventet, at den ville reagere så meget."

Pint og Romedenne opdagede også, at sænkning af løkkens høje temperatur fra 700 til 650 grader Celsius resulterede i en meget langsommere opbygning af de nydannede forbindelser.

"Hvis du bare har siliciumcarbid, og du ikke har en kilde til jern og krom til at putte i væsken, vil du ikke se denne reaktion," sagde Pint. "Ingen havde sat alle brikkerne sammen før."

Da jern og krom reagerede med siliciumcarbidet, korroderede bly-lithium stålprøverne dramatisk. "De var der knap, efter at testen var overstået," sagde han.

I det andet eksperiment coatede holdet stålet med et tyndt lag aluminium for at beskytte det mod den ætsende væske, første gang dette er blevet gjort i et flydende eksperiment. Resultaterne, sagde Pint, var opmuntrende.

"Korrosion sker stadig, selv når vi forsøgte at knappe alting så meget som muligt," sagde Pint. "Men vi fik tingene ned på et mere overskueligt niveau. Ingen af ​​vores coatede stålprøver blev forringet væsentligt."

I kommende eksperimenter planlægger Pint og Romedenne at bruge et tyndere lag aluminium for at minimere, hvor meget af det element, der ender i systemet. De planlægger også at fordoble længden af ​​eksperimenter til 2.000 timer for bedre at studere væksten af ​​reaktantlaget på den kolde side af løkken.

For at vove sig ud over grænserne for deres eksperimentelle sløjfer bruger Romedenne modeller og simuleringer til at forudsige korrosionslevetiden for fusionsmaterialer ved industriel varighed - 50.000 timer eller mere. Men fortsatte eksperimenter og nye testmiljøer er nødvendige for at validere og forbedre disse modeller.

Kessel lægger nu grunden til udviklingen af ​​en avanceret strømningsløkke, som vil indeholde magneter til at hjælpe med at måle magnetfelternes indvirkning på korrosionshastigheden.

"Vi ønsker at skabe et så prototypisk miljø som muligt for at give os mulighed for at identificere, demonstrere og optimere faktiske løsninger til et fusionspilotanlæg," sagde Kessel. + Udforsk yderligere

Valg af de rigtige strukturelle materialer til fusionsreaktorer