Fusione nucleare

Sebbene le ceramiche convenzionali possano non essere ideali per il nucleo surriscaldato e ad alto flusso di neutroni di un reattore tokamak, vengono esplorate per componenti specifici nei sistemi di fusione. Ad esempio, il mantello autofertilizzante, il sistema di confinamento magnetico, il raffreddamento ad acqua, il controllo elettrico e dei sensori, le fonti di energia ad alta potenza per i sistemi di confinamento inerziale ecc.

La coperta di allevamento, ad esempio, circonda la camera al plasma e svolge diverse funzioni chiave:

• Riproduzione del trizio: i reattori a fusione in genere utilizzano una miscela di combustibile di deuterio e trizio. Il trizio non è facilmente disponibile in natura, quindi il reattore deve riprodurre il proprio combustibile di trizio. Le ceramiche contenenti litio sono oggetto di studio come potenziale materiale per la coperta. Queste ceramiche conterrebbero litio, che può essere bombardato dai neutroni della reazione di fusione per generare trizio.

Ecco come funziona:

1. I neutroni provenienti dalla camera al plasma colpiscono il litio contenuto nella guaina ceramica.
2. I neutroni innescano reazioni nucleari nel litio, producendo trizio.
3. Il trizio può quindi essere estratto e utilizzato come combustibile per la reazione di fusione.

È ancora in fase di sviluppo, ma evidenzia una potenziale applicazione della ceramica nei reattori tokamak.

Le ceramiche tecniche sono promettenti candidate per i componenti all’interno di un reattore a fusione, ma non necessariamente per la camera al plasma centrale. La combinazione di proprietà vantaggiose che la ceramica offre è utile in ambienti estremi. Ecco una ripartizione:

• Vantaggi:
  • Resistenza alle alte e basse temperature : alcune ceramiche possono resistere a temperature molto elevate, il che è un requisito fondamentale per i reattori a fusione. Le ceramiche sono anche compatibili con le temperature criogeniche.
  • Isolamento elettrico : la maggior parte delle ceramiche tecniche ha eccellenti proprietà isolanti, mentre le proprietà termiche possono essere isolanti o conduttive a seconda dell’applicazione.
  • Resistenza alla corrosione e alle radiazioni : la ceramica è chimicamente inerte e offre una buona resistenza agli ambienti di radiazione. Alcuni materiali ceramici possono essere utilizzati per la schermatura dalle radiazioni.
  • Compatibile con forti campi magnetici : ciò consente di utilizzare componenti ceramici senza disturbare il sistema di confinamento magnetico.
  • Capacità meccaniche e dimensionali : la ceramica tecnica offre elevata resistenza e tenacità e può essere prodotta con tolleranze elevate, garantendo le prestazioni robuste e di lunga durata richieste nei sistemi di fusione.
  • Ceramiche contenenti litio : sono oggetto di ricerca per il loro potenziale ruolo nella produzione di trizio, un processo tipico dei reattori a fusione.

• Sfide:
  • Resistenza : la ceramica ha una resistenza inferiore rispetto ai metalli e questo aspetto deve essere preso in considerazione nella progettazione dei componenti e nella scelta dei materiali per garantire la compatibilità negli ambienti più difficili di un reattore a fusione.
  • Effetti delle radiazioni : l’esposizione alle radiazioni in un reattore a fusione può degradare le proprietà della ceramica nel tempo. I materiali ceramici convenzionali non sopravviverebbero ai più alti livelli di flusso di neutroni.
  • Limitazioni di produzione : produrre forme complesse e grandi dimensioni dalla ceramica può essere difficile e costoso. Ciò può limitarne l’uso in alcune applicazioni all’interno di un reattore a fusione.

I reattori a fusione richiedono materiali speciali che possano resistere all’ambiente incredibilmente duro all’interno del reattore. La ceramica tecnica/avanzata può fornire le proprietà richieste per resistere a questi ambienti duri. C’è una combinazione di materiali richiesti in un reattore;

1. I materiali strutturali formano il corpo principale del reattore e devono essere molto forti e resistenti al calore intenso e alle radiazioni. Alcuni esempi sono gli acciai modificati per essere meno radioattivi quando bombardati da neutroni, rame, titanio, leghe di vanadio e carburo di silicio rinforzato con fibre.

2. I materiali rivolti al plasma rivestono la parete interna del recipiente del reattore e sono in stretta prossimità del plasma caldo. Devono essere in grado di resistere alle alte temperature, al bombardamento di particelle e all’erosione chimica.

3. Materiali per coperte di allevamento e scambio termico . Le ceramiche chimicamente inerti e con buone proprietà termiche includono Shapal Hi M Soft , Macor , allumina , nitruro di boro e zirconia .

4. Materiali di confinamento magnetico. La ceramica è adatta per applicazioni criogeniche e ad alto campo magnetico.

5. Controllo, strumentazione e periferiche . È probabile che la ceramica venga incorporata in applicazioni di controllo elettrico, elettronico e dei sensori in tutti i sistemi di fusione.

La scelta dei materiali per un reattore a fusione è complessa. I materiali migliori dipenderanno dal design specifico e dalle sfide correlate del reattore a fusione, che possono essere molto diverse tra loro.

La ceramica offre molteplici vantaggi per i reattori a fusione, sebbene sia necessario riconoscere le limitazioni per garantire che vengano utilizzate in applicazioni idonee. Ecco una ripartizione delle principali limitazioni:

• Tenacità: questa è una considerazione importante nella selezione del materiale. Le ceramiche sono intrinsecamente non duttili e possono essere soggette a crepe sotto stress di trazione o di taglio. I sistemi di reattori a fusione possono subire stress termici e meccanici intensi, quindi la tenacità potrebbe essere necessaria per garantire un design robusto. Alcune ceramiche come la zirconia , il nitruro di silicio e i materiali compositi ceramici presentano una tenacità migliorata e potrebbero essere selezionate per questo motivo.
• Effetti delle radiazioni: l’intenso bombardamento di neutroni all’interno di un reattore a fusione può degradare le proprietà di tutti i materiali, inclusa la ceramica, nel tempo. La ceramica potrebbe avere proprietà meccaniche ridotte, perdere la capacità di resistere ad alte temperature o persino subire cambiamenti dimensionali.
• Selezione limitata dei materiali: i materiali ceramici differiscono notevolmente ed è importante considerare la migliore combinazione di proprietà richieste, come resistenza alle alte temperature, conduttività termica, isolamento elettrico, resistenza meccanica e tolleranza alle radiazioni per l’applicazione di fusione. Potrebbe essere necessario scendere a compromessi nel trovare il giusto equilibrio di proprietà all’interno di un singolo materiale ceramico.
• Limitazioni di produzione: produrre forme complesse e grandi dimensioni dalla ceramica può essere difficile e costoso. Ciò può limitarne l’uso in alcune applicazioni all’interno di un reattore a fusione.

Nonostante queste limitazioni, i ricercatori stanno attivamente sviluppando nuovi materiali ceramici e migliorando le tecniche di fabbricazione per superarli. Ecco alcune aree di interesse:

• Sviluppo di ceramiche più resistenti: sono in corso ricerche per creare ceramiche più resistenti alle crepe sotto stress, anche ad alte temperature.
• Comprensione degli effetti delle radiazioni: gli scienziati stanno studiando il modo in cui le radiazioni influiscono su diverse ceramiche e sviluppando metodi per attenuare tali effetti.
• Nuove tecniche di fabbricazione: si stanno esplorando nuovi metodi per modellare la ceramica, come la produzione additiva, per creare forme complesse in modo più semplice ed economico.

Grazie alla comprensione di questi limiti, la ceramica potrebbe svolgere un ruolo più significativo nei futuri reattori a fusione, in prossimità dell’ambiente di fusione centrale e per altri componenti periferici.