Studente del MIT esplora compositi metallo-ceramica stampati in 3D per reattori a fusione
Questi materiali ad altissime prestazioni sono fondamentali per il futuro di molti settori industriali manifatturieri avanzati
Mentre sempre più startup ricevono finanziamenti e ottengono progressi nella produzione commerciale di energia da fusione, lo studente di dottorato del MIT Alexander O’Brien sta lavorando per fornire la prossima generazione di dispositivi di fusione attraverso la ricerca sulla produzione additiva di compositi metallo-ceramica.
L’attuale ricerca di O’Brien presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria Nucleare (NSE) del MIT sfrutta la produzione additiva per posizionare accuratamente le nanoparticelle ceramiche all’interno del pool di metalli durante il processo di costruzione, cosa che semplicemente non è possibile fare con gli antichi processi di produzione formativa. I compositi a matrice ceramica sono considerati materiali chiave per il futuro di diverse industrie manifatturiere avanzate, tra cui l’aviazione e lo spazio, e sia Safran che GE Aviation stanno investendo in modo significativo nella loro adozione per le parti dei motori a reazione. L’AM è un fattore chiave per l’uso di questi materiali ultra-avanzati. Anche il fiorente settore dell’energia da fusione è una scelta naturale. Lo stesso vale per la fissione di prossima generazione.
“Mentre la progettazione di nuovi dispositivi di fusione prende piede, sta diventando sempre più evidente che i materiali che abbiamo utilizzato semplicemente non reggono alle temperature più elevate e ai livelli di radiazione negli ambienti operativi”, ha spiegato O’Brien. La produzione additiva “apre un regno completamente nuovo di possibilità per ciò che si può fare con i metalli, che è esattamente ciò di cui avrete bisogno [per costruire la prossima generazione di centrali elettriche a fusione]”, ha affermato.
I metalli e la ceramica da soli potrebbero non essere in grado di resistere alle alte temperature (750 gradi Celsius è l’obiettivo) e alle sollecitazioni e alle radiazioni, ma insieme potrebbero arrivarci. Sebbene tali compositi a matrice metallica esistano da decenni, sono poco pratici per l’uso nei reattori perché sono “difficili da realizzare con qualsiasi tipo di uniformità e su scala dimensionale davvero limitata”, ha affermato O’Brien.
Questo perché quando provi a posizionare le nanoparticelle ceramiche in una pozza di metallo fuso, cadranno nella direzione desiderata. “La stampa 3D cambia rapidamente e completamente la storia, al punto che se vuoi aggiungere queste nanoparticelle in regioni molto specifiche, hai la capacità di farlo”, ha spiegato O’Brien.
Il lavoro di O’Brien, che costituisce la base della sua tesi di dottorato e di un articolo di ricerca sulla rivista Additive Manufacturing, prevede l’impianto di metalli con nanoparticelle ceramiche. Il risultato finale è un composito a matrice metallica che è un candidato ideale per i dispositivi di fusione, in particolare per il componente del recipiente a vuoto, che deve essere in grado di resistere alle alte temperature, ai sali fusi estremamente corrosivi e al gas elio interno derivante dalla trasmutazione nucleare.
Il lavoro di O’Brien si concentra sulle superleghe di nichel come Inconel 718, che sono candidati particolarmente robusti perché possono resistere a temperature operative più elevate pur mantenendo la resistenza. L’infragilimento dell’elio, in cui le bolle di elio causate dai neutroni di fusione portano a debolezza e cedimento, è un problema con Inconel 718, ma i compositi mostrano il potenziale per superare questa sfida.
Per creare i compositi, innanzitutto, un processo di fresatura meccanica riveste la ceramica sulle particelle metalliche. Le nanoparticelle ceramiche agiscono come agenti rinforzanti, soprattutto alle alte temperature, e fanno durare più a lungo i materiali. Le nanoparticelle assorbono anche l’elio e i difetti delle radiazioni quando disperse uniformemente, il che impedisce a questi agenti dannosi di raggiungere i bordi dei grani.
Il composito passa quindi attraverso un processo di fusione laser a letto di polvere (L-PBF) su un sistema del leader di mercato EOS. “Rivestendo queste particelle con la ceramica e poi sciogliendo solo regioni molto specifiche, manteniamo la ceramica nelle aree che vogliamo, e quindi possiamo costruire e avere una struttura uniforme”, ha detto O’Brien.
La stampa 3D di materiali nucleari è talmente promettente che O’Brien sta cercando di perseguire questa prospettiva dopo i suoi studi di dottorato. “Il concetto di questi compositi a matrice metallica e il modo in cui possono migliorare le proprietà del materiale è davvero interessante”, ha affermato. Aumentarlo commercialmente attraverso una startup è tra gli obiettivi.
