Stampa 3D di strutture cellulari in ceramica per potenziali applicazioni di fusione nucleare

SCIENZIATI CINESI RIVOLUZIONANO LA CERAMICA STAMPATA IN 3D CHE EMETTE COMBUSTIBILE NUCLEARE NUCLEAR
 

 I ricercatori dell’Università cinese di Shenzhen e del Southwestern Institute of Physics hanno sviluppato un mezzo per la produzione additiva di strutture ceramiche che emettono combustibile per reattori nucleari. 

Utilizzando ceramiche caricate al litio e stampa 3D DLP, il team è stato in grado di creare “coperte riproduttive” che generano in modo autosufficiente trizio, un elemento vitale del processo di fusione nucleare. In futuro, i dispositivi cellulari degli scienziati potrebbero essere utilizzati come una versione più efficiente dei letti di ciottoli visti all’interno dei reattori sperimentali, aiutando a far progredire la tecnologia per affrontare la carenza di energia globale. 

“[Le nostre] strutture possiedono un’elevata purezza di fase e una ‘frazione di imballaggio’ efficace adatta e personalizzabile per applicazioni di allevamento del [trizio]”, hanno affermato gli scienziati nella loro ricerca. “Il vantaggio unico del controllo flessibile nella progettazione e produzione della stampa 3D, può aprire una strada promettente per maggiori possibilità di progettare nuove strutture di trizio ad alte prestazioni su misura, utilizzate nella tecnologia di fusione nucleare”.

Le strutture cellulari stampate in 3D degli scienziati sono progettate per sostituire i letti di ciottoli all’interno dei reattori nucleari convenzionali. Immagine tramite il giornale di produzione additiva.
Il ruolo nucleare critico del trizio

Sebbene l’energia nucleare offra potenziali vantaggi in termini di sicurezza, pulizia e sostenibilità rispetto a molte fonti energetiche esistenti, la progressione della tecnologia dipende in larga misura dalla ricerca e sviluppo condotta all’interno dei reattori sperimentali. Durante tale ricerca, l’esecuzione della cosiddetta “reazione DT”, in cui il deuterio e il trizio vengono consumati come combustibili, è fondamentale per convertire la fusione nucleare in energia estraibile. 

Tuttavia, mentre le risorse di deuterio possono essere derivate dall’acqua di mare, il trizio non può essere trovato naturalmente sulla Terra, quindi la sua produzione è diventata fondamentale per far progredire le prestazioni dei reattori nucleari. Attualmente, l’isotopo dell’idrogeno viene spesso raccolto da “coperte” contenenti litio che si scontrano efficacemente con i neutroni generati dalle reazioni D–T all’interno del nocciolo di un reattore, producendo trizio nel processo. 

Di questi dispositivi di assorbimento, i letti di ciottoli impaccati tangenzialmente sono più comunemente usati per facilitare il rilascio di reagenti, ma questi possono essere soggetti a fessurazioni e causare instabilità. Per sviluppare un’alternativa ai letti di ciottoli con una maggiore personalizzazione, gli scienziati cinesi hanno quindi adottato la stampa 3D e creato una soluzione integrata di allevamento del trizio con meno punti di contatto interni, riducendo così la sua vulnerabilità. 

 

Dato che i loro esperimenti si sarebbero svolti all’umidità relativa della temperatura ambiente, gli scienziati avevano bisogno di sviluppare un materiale che non reagisse al vapore acqueo e perdesse la sua purezza di fase. Per ottenere ciò, il team ha miscelato litio, ceramica e monossido di silicio in un “impasto” ceramico a base di resina all’interno di un vano portaoggetti riempito con un’atmosfera inerte di argon. 

Una volta che il loro impasto liquido era pronto, i ricercatori hanno utilizzato una stampante 3D Ceraform100 commerciale per fotopolimerizzarlo in prototipi cellulari, prima di deceraggio e sinterizzazione durante la post-elaborazione. Le risultanti strutture intersecanti 10 × 10 × 10 mm 3 presentavano un rapporto di volume o “frazione di impaccamento” del 60%, simile a quello osservato negli attuali letti di ciottoli.  

Inoltre, sebbene i campioni del team fossero inizialmente di aspetto giallastro, le parti finali presentavano un colore bianco più convenzionale, dopo che il contenuto organico del liquame è stato bruciato durante il deceraggio. Descrivendo l’accuratezza dimensionale dei modelli come “abbastanza buona”, gli scienziati hanno successivamente scoperto che il loro restringimento era uniforme e, attraverso l’uso dell’imaging MES, che erano privi di crepe su scala micro. 

Come risultato delle “caratteristiche strutturali prive di difetti” esibite dai loro prototipi, il team ha concluso il loro nuovo approccio alla stampa 3D per rappresentare uno sviluppo “promettente” nella produzione di strutture di allevamento del trizio e un'”alternativa interessante” rispetto al tradizionale letti di ciottoli visti negli attuali reattori a fusione sperimentali. 

 

Poiché i progressi della produzione additiva continuano a consentire la produzione di più parti resistenti alla temperatura e al calore, la tecnologia viene sempre più utilizzata per affrontare le applicazioni nucleari. I ricercatori dell’Istituto coreano di ricerca sull’energia atomica (KAERI), ad esempio, hanno stampato in 3D una grande valvola di sicurezza con qualità di resistenza di Classe 1 IAEA . 

Altrove, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha investito molto nel potenziale nucleare della stampa 3D e attualmente sta lavorando con l’ Oak Ridge National Laboratory per fabbricare un nucleo di reattore. Conosciuto come Transformational Challenge Reactor (TCR), il microreattore è stato costruito per facilitare l’adozione delle moderne tecnologie da parte dell’industria nucleare. 

Gli scienziati dell’Argonne National Laboratory , che stanno anche lavorando per ottimizzare il processo di fusione nucleare, hanno sviluppato un mezzo per riutilizzare fino al 97% dei relativi rifiuti. Utilizzando la stampa 3D, il team ha creato una serie di contattori interconnessi , con la capacità di filtrare le impurità con un’efficacia fino al 99,9%.  

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Stampa 3D di strutture cellulari in ceramica per potenziali applicazioni di fusione nucleare “. Lo studio è stato co-autore di Yu Liu, Zhangwei Chen, Junjie Li, Baoping Gong, Long Wang, Changshi Lao, Pei Wang, Changyong Liu, Yongjin Feng e Xiaoyu Wang. 

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