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Chiarimento del meccanismo degli strati protettivi sui reattori a fusione che resistono al distacco

Istituto di tecnologia di Tokio

immagine: (a) Immagine al microscopio elettronico a trasmissione a scansione; (b) Immagine di mappatura elementare a raggi X a dispersione di energia (EDX) di alluminio e ossigeno; (c) Immagine di mappatura elementare di titanio, ittrio e zirconio mediante analisi EDXvedere di più

Crediti: Professore Associato Masatoshi Kondo

I reattori a fusione, i reattori autofertilizzanti e le centrali solari termiche vengono sviluppati come centrali elettriche a basso impatto ambientale e senza vincoli di risorse. Poiché queste centrali elettriche funzionano ad alta temperatura con un grande trasferimento di calore, gli scienziati stanno studiando l'uso di componenti che utilizzano il metallo liquido (ha eccellenti prestazioni di trasferimento di calore) come refrigerante. La coperta di metallo liquido (una parete metallica installata nel nocciolo) e il divertore di metallo liquido (riceve calore e scarica i gas di scarico) sono tra i componenti più importanti dei reattori a fusione e hanno attirato l'attenzione come dispositivi innovativi di conversione dell'energia. Tuttavia, la selezione di materiali strutturali che siano chimicamente compatibili con i metalli liquidi ad alta temperatura è stata una sfida.

Il professore associato Masatoshi Kondo del Tokyo Institute of Technology ha preso liquidi refrigeranti metallici e ha condotto ricerche sulla loro resistenza alla corrosione chimica con i principali materiali strutturali. Ha scoperto che la causa della corrosione è la lisciviazione di componenti metallici da materiali a contatto con il metallo liquido e la lega di metallo liquido e materiali di acciaio. In questo contesto, ha scoperto che la corrosione può essere ridotta significativamente formando uno strato protettivo compatto di ossido sulla superficie dei materiali strutturali dei componenti in metallo liquido. La formazione di uno strato protettivo stabile di ossido che inibisce tale corrosione è fondamentale per trasformare in realtà i componenti a base di metallo liquido.

Il gruppo di ricerca congiunto, guidato dal professore associato Kondo, in collaborazione con l'Università nazionale di Yokohama e l'Istituto nazionale per la scienza della fusione, si è concentrato sul fatto che le leghe FeCrAl rinforzate con dispersione di ossido (ODS) formano uno strato α-Al2O3 (alfa allumina) costituito da uno strato struttura compatta e fattori identificati che possono promuovere la crescita dello strato e il meccanismo che fa sì che lo strato resista al distacco dal substrato.

Lo strato α-Al2O3 fornisce una protezione eccezionale in ambienti con metalli liquidi ad alta temperatura. La lega ODS Fe15Cr7Al ​​ha un'eccellente resistenza alle alte temperature ed è un materiale strutturale dal forte potenziale per le centrali elettriche di prossima generazione. La lega può essere ossidata a 1000°C in aria per 10 ore per formare uno strato α-Al2O3. La Figura 1 mostra l'immagine al microscopio in sezione trasversale dello strato α-Al2O3 formato sulla lega ODS Fe15Cr7Al ​​e la distribuzione dei suoi elementi costitutivi. Sebbene abbia uno spessore di soli 1,28 micrometri, circa 1/80 dello spessore di un capello umano, ha una struttura estremamente compatta con distribuzione uniforme di alluminio e ossigeno, come mostrato nella Figura 1(b). Allo stesso tempo, il team ha scoperto che nello strato α-Al2O3 si formavano ossidi di elementi reattivi come Ti, Y e Zr, come mostrato nella Figura 1(c). Questo perché gli elementi reattivi che la lega ODS Fe15Cr7Al ​​tiene dispersi come minuscole particelle di ossido nella sua microstruttura sono migrati nello strato per formare ossidi. Il confronto della microstruttura e del tasso di crescita dello strato di ossido formato da diversi tipi di leghe FeCrAl mostra che le leghe senza elementi reattivi non formano questi ossidi nello strato e la crescita del loro strato è lenta. Questi ossidi allungati di elementi reattivi agiscono come un "percorso di diffusione del solo ossigeno" che promuove la crescita degli strati e migliora le proprietà barriera (Figura 2).

Lo strato protettivo deve essere resistente all'esfoliazione. In questo studio, il team ha eseguito un test di graffio sullo strato di α-Al2O3 formato sulla lega ODS-FeCrAl per misurare l’entità della forza richiesta per graffiare e staccare lo strato con un ago affilato. I risultati mostrano che la lega ODS-FeCrAl ha eccellenti proprietà di adesione. Il meccanismo attraverso il quale lo strato α-Al2O3 diventa resistente all'esfoliazione è riassunto nella Figura 2. Innanzitutto, gli ossidi degli elementi reattivi formati dal substrato verso lo strato afferrano saldamente la microstruttura dello strato, come i picchetti usati per fissare una tenda, e contribuiscono a migliorare la forza di adesione. Questo è chiamato effetto pegging.