I ricercatori dell’Institute of Science Tokyo stanno studiando strati di ossido formati su leghe ODS FeCrAl per il loro impiego nei reattori a fusione.
Gli scienziati dell’Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), insieme ad altre università, hanno testato strati di ossido di -Al2O3 su leghe ODS in un ambiente di litio-piombo fluido ad alta temperatura che hanno mostrato una forte adesione sotto stress meccanico, rendendo queste scoperte cruciali per migliorare la durata dei materiali nei reattori a fusione e nei sistemi energetici ad alta temperatura.
I reattori a fusione, che rappresentano una promettente fonte di energia sostenibile, richiedono materiali avanzati in grado di resistere a temperature estreme e ad ambienti corrosivi creati da refrigeranti metallici liquidi come il litio e la lega di piombo-litio (LiPb). Questi refrigeranti sono essenziali nei reattori a fusione per estrarre calore e generare trizio, ma la loro natura corrosiva minaccia l’integrità dei materiali strutturali utilizzati. Il LiPb è particolarmente aggressivo, poiché ha un’elevata concentrazione di litio, che reagisce con i materiali strutturali, causando corrosione e degradazione dei materiali nel tempo.
Le leghe ODS FeCrAl, note per la loro eccellente resistenza alle alte temperature e alla corrosione, sono considerate candidate promettenti per i reattori a fusione e altre applicazioni ad alta temperatura come i sistemi di energia solare concentrata. Queste leghe si basano sulla formazione di strati di ossido protettivi, come α-Al2O3, che offre stabilità e durata ad alte temperature. Tuttavia, in un ambiente di LiPb liquido, le interazioni chimiche tra la lega e il refrigerante sollevano preoccupazioni sulla stabilità e la longevità di questi strati protettivi.
In quest’ottica, il team dell’Institute of Science Tokyo, guidato dal professore associato Masatoshi Kondo in collaborazione con la Yokohama National University, Nippon Nuclear Fuel Development e Department of Research, National Institute for Fusion Science, ha condotto test di corrosione su strati di ossido formati su leghe ODS FeCrAl in caso di esposizione prolungata a LiPb liquido in flusso a temperature elevate. Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista Corrosion Science.
I test di corrosione
I ricercatori hanno eseguito test di corrosione utilizzando due tipi di leghe ODS FeCrAl: SP10 e NF12. I test sono stati eseguiti in condizioni statiche e di flusso agitato a 873 K per simulare scenari realistici nei sistemi di raffreddamento dei reattori a fusione. Hanno utilizzato tecniche avanzate di analisi metallurgica, tra cui la microscopia elettronica a scansione di trasmissione abbinata alla spettroscopia di perdita di energia degli elettroni, per studiare la composizione e la microstruttura degli strati di ossido protettivo formati sulle superfici della lega.
Hanno scoperto che lo strato preformato di α-Al2O3 ha soppresso efficacemente la corrosione iniziale, ma si è parzialmente trasformato in α-/γ-LiAlO2 a causa dell’adsorbimento di litio. È interessante notare che, anche senza preossidazione, le leghe ODS in situ hanno sviluppato uno strato durevole di γ-LiAlO2, che ha funzionato come barriera protettiva autoformante.
“La durata dello strato di ossido di litio-alluminio dimostra che queste leghe potrebbero durare più a lungo in ambienti ad alta temperatura e ad alto stress. Questo strato funge da scudo sostenibile che continua a proteggere i componenti del reattore anche dopo l’usura iniziale” spiega Kondo.
Con l’evoluzione della tecnologia nucleare, queste scoperte ci avvicinano di un passo allo sviluppo di reattori che possono funzionare in sicurezza per un periodo prolungato, rendendo più fattibili le fonti di energia sostenibili. “I nostri risultati dimostrano che le leghe ODS FeCrAl, con la loro capacità di formare strati protettivi durevoli, potrebbero svolgere un ruolo fondamentale nel futuro dei reattori a fusione e di altri sistemi energetici ad alta temperatura” afferma Kondo.
