Ambienteenergia

In che modo l’AM ceramica potrebbe aiutare a raggiungere la fusione nucleare commerciale

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La produzione additiva di ceramiche potrebbe svolgere un ruolo chiave nello sviluppo di future centrali elettriche commerciali a fusione nucleare. Secondo uno studio condotto dal professor Chen Zhangwei e Lao Changshi dell’Università di Shenzhen, in collaborazione con il Southwest Institute of Physics of the Nuclear Industry of China National Nuclear Corporation, le parti in ceramica stampate in 3D potrebbero essere utilizzate per produrre il carburante trizio necessario.

Gli scienziati hanno proposto e realizzato la progettazione e la formazione di complesse parti in ceramica di ortosilicato di litio porose basate su un processo di stampa 3D di fotopolimerizzazione. La struttura del letto di microsfere potrebbe introdurre una nuova generazione di dispositivi al trizio, mostrando importanti prospettive applicative.

La fusione nucleare utilizza deuterio e trizio come combustibile. Mentre il deuterio è abbondante, il trizio è quasi inesistente in natura e deve essere prodotto dalla continua reazione catalitica dell’elio e del litio ceramico. In qualità di componente importante del reattore a fusione a confinamento magnetico, il rivestimento allo stato solido che produce trizio è uno dei problemi centrali che devono essere risolti prima dell’applicazione commerciale dell’energia di fusione.

fusione nucleare
Parte di stampa 3D fotopolimerizzabile dell’unità trizio della ceramica ortosilicato di litio e delle sue eccellenti proprietà meccaniche. Fonte: Stdaily.com

Al momento, il materiale moltiplicatore di trizio preferito dagli scienziati di vari paesi è l’ortosilicato di litio (Li4SiO4). Il metodo prevalente è far reagire la ceramica di ortosilicato di litio con l’elio per produrre trizio. Gli scienziati si riferiscono ai componenti ceramici che svolgono questa funzione come unità di produzione di trizio.

Affinché la sospensione in polvere di ortosilicato di litio possa essere polimerizzata rapidamente dopo la stampa 3D, è necessario selezionare un metodo di polimerizzazione adatto.

“La stampa 3D in ceramica ha due metodi principali di polimerizzazione e formatura, uno è la fotopolimerizzazione e l’altro è la sinterizzazione o fusione a base di polvere”. Chen Zhangwei ha affermato che la sinterizzazione delle polveri utilizza laser ad alta energia per sinterizzare direttamente la polvere ceramica ad alte temperature, necessaria per la cottura. Forma, ma poiché la temperatura è relativamente alta, è soggetta a crepe e l’accuratezza e la controllabilità sono scarse. La fotopolimerizzazione non solo ha meno difetti di fessurazione e una maggiore precisione di stampa, ma ha anche una forte capacità di controllare i dettagli della struttura porosa.

Pertanto, il team di ricerca scientifica ha scelto il metodo di fotopolimerizzazione e ha sviluppato un impasto di polvere di ortosilicato di litio ad alta purezza di fase per la stampa 3D fotopolimerizzabile.

Chen Zhangwei ha dichiarato: “Abbiamo miscelato componenti di additivi chimici organici ottimizzati nel liquame in polvere di ortosilicato di litio, nonché una piccola dose di additivi fotosensibili, che sono sensibili a specifiche lunghezze d’onda della luce, e utilizziamo luce ultravioletta a 405 nanometri sul liquame. Il materiale viene irradiato per realizzare la fotopolimerizzazione e la polimerizzazione del liquame”.

Le parti strutturali stampate in 3D vengono sinterizzate ad alta temperatura e cotte in un ambiente di 1050 gradi Celsius per 8-10 ore per ottenere la porcellana. Vari additivi nella struttura solidificata possono essere rimossi e l’acqua e l’anidride carbonica nell’ambiente non verranno più generate. La reazione, “Questi additivi chimici vengono aggiunti fisicamente e non causeranno danni all’ortosilicato di litio” ha spiegato Chen Zhangwei.

L’unità di produzione del trizio stampata con questo metodo è una struttura integrata e priva di difetti. Dopo il test, supera i problemi di affidabilità causati dalla limitata velocità di riempimento del letto di ghiaia e dalla concentrazione di stress. La sua stabilità e le proprietà meccaniche sono due volte più elevate della tradizionale struttura a microsfere.

Si prevede inoltre che l’efficienza di produzione del trizio dell’unità di produzione del trizio stampata in 3D sarà notevolmente migliorata. Il rapporto di lavoro della tradizionale struttura a microsfere è fino al 65%, mentre la stampa 3D può essere regolata in modo flessibile tra il 60% e il 90% secondo necessità. Anche la superficie specifica dell’ortosilicato di litio è notevolmente aumentata rispetto alla struttura a microsfere.

La tecnologia di stampa 3D è stata riconosciuta a livello internazionale come estremamente innovativa nella produzione e applicazione di componenti ceramici di base per la fusione nucleare. Questa ricerca ha grandi prospettive nell’applicazione dei reattori a fusione, che forniranno maggiori possibilità di sostituire la tradizionale struttura di produzione ceramica a letto di ciottoli di trizio e promuovere la commercializzazione della tecnologia di reazione di fusione nucleare Tokamak.

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Research 2021
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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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