Nuevos materiales para reactores de fusión termonuclear

La fusión termonuclear promete ser una posible solución a la crisis energética actual. Se produce cuando dos núcleos atómicos de elementos ligeros se unen para dar lugar a elementos más pesados, con lo que desprenden una gran cantidad de energía. Para que se pueda producir esta reacción, es necesario un gran aporte de energía, de manera que se alcancen temperaturas del orden de decenas de millones de grados que permiten que los núcleos se acerquen lo suficiente como para vencer su repulsión natural y se condensen en estado de plasma.

"Este plasma, que alcanza temperaturas similares a las de las estrellas, a unos 100 millones de grados, no toca las paredes del reactor porque se derretirían", explica una de las investigadoras que trabaja en este proyecto, Vanessa de Castro, del departamento de Física de la UC3M. Para conseguir confinar el plasma, levita dentro del reactor ayudado por campos magnéticos. "Aún así, las paredes deben resistir unas temperaturas muy altas y los efectos de la irradiación de los neutrones que proceden de la reacción, por lo que tenemos que producir nuevos materiales que soporten estas condiciones extremas", comenta la profesora.

El proyecto ITER (en construcción) y su sucesor DEMO (previsto para el año 2035) se proponen desarrollar reactores de fusión que sean económicamente viables. Esta tarea depende, entre otros aspectos, del desarrollo de estos nuevos materiales estructurales capaces de soportar el daño por irradiación y las altas temperaturas resultantes de la reacción de fusión. La comunidad científica ha comenzado a desarrollar nuevos materiales de baja activación para su uso en estos reactores, pero todavía se desconoce si alguno de ellos será viable bajo esas condiciones tan hostiles. Uno de los candidatos más importantes, en este sentido, son los aceros ferríticos de baja activación endurecidos por dispersión de óxidos, denominados aceros ODS.

El comportamiento mecánico de los aceros ODS depende enormemente de su microestructura, que hasta ahora no se ha controlado rigurosamente. Hasta hace poco, los estudios sobre la microestructura de estos aceros se han centrado en la escala micrométrica. Sin embargo, la escala nanométrica es la más relevante para comprender los fenómenos que ocurren bajo irradiación.

"Ahora estamos utilizando nuestros conocimientos en materiales estructurales nucleares y en técnicas avanzadas de nanoanálisis para caracterizar diversos aceros ODS de nueva generación a escala nanométrica", comentan los investigadores, quienes han añadido a estos aceros partículas nanométricas (de entre 1 y 50 nm) que ayudan a mejorar las propiedades mecánicas y a aumentar su resistencia. Los resultados de investigación han sido publicados en un número especial de la revista Materials Science and Technology dedicado a la caracterización de aceros a escala atómica.

La caracterización de estos materiales se realiza usando técnicas a escala nanométrica. Por ejemplo, con un microscopio electrónico de transmisión se pueden ver las partículas que se añaden al material, incluso las más pequeñas, de un nanómetro (la millonésima parte de un milímetro). Gracias a esto, se puede estudiar si la distribución de las partículas es la óptima, cuál es su composición química, o si cambiándola se obtienen mejores materiales o se mejora la interacción de estas partículas con los defectos que se producen en el material.

"De ahí extraemos la información que nos permite explicar por qué el material se comporta de una u otra forma, porque el hecho de que tenga malas propiedades mecánicas se podría relacionar con que las partículas no estén bien distribuidas", señala la profesora Vanessa de Castro, del ESTRUMAT. Este consorcio de Materiales Estructurales Avanzados, formado por cinco grupos de investigación pertenecientes a cuatro universidades y un instituto de investigación de la Comunidad de Madrid, tiene como objetivo proporcionar un marco de actividad científico-técnica en el área de materiales estructurales avanzados para aplicaciones en ingeniería.

Esta investigación, financiada por el Ministerio de Ciencia e Innovación, se centra en el estudio de las nanopartículas de óxidos presentes en estos aceros y en el daño inducido por radiación en estos materiales. Los análisis realizados hasta el momento muestran, por ejemplo, que las partículas poseen una estructura de tipo core-shell consistente en un núcleo rico en Itrio (Y) rodeado por una zona enriquecida en Cromo (Cr).