Uzmanlar, Füzyonun Geleceği için Korozyondan Kaçınıyor
Pratik füzyon enerjisi, Energy’s Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda sadece bir rüya değildir. Füzyon ve malzeme bilimindeki uzmanlar, bir füzyon pilot tesisi ve nihayetinde karbonsuz, bol füzyon elektriği mümkün kılacak çözümler geliştirmek için birlikte çalışıyor.
Laboratuvarın Füzyon Nükleer Bilimi, Teknolojisi ve Mühendisliği Bölümü başkanı olarak Chuck Kessel, bir enerji santrali inşa etmek için ele alınması gereken malzeme zorluklarına aşinadır.
Kessel’in, beraber çalışmak için ORNL’nin Korozyon Bilimi ve Teknoloji Grubu başkanı Bruce Pint’ten başka birisine bakmasına gerek yoktu. Pint, onlarca yıldır enerji üretimi uygulamaları için korozyona dayanıklı, yüksek sıcaklık malzemeleri üzerinde çalışmaktadır.
Çalışmaları çoğunlukla kömür, gaz ve nükleer santraller için gaz-metal veya alaşım korozyonu ve oksidasyonu üzerine odaklanmıştır. Aşındırıcı sıvıları füzyon enerjisi bağlamında incelemek, farklı ve daha zorlu bir mücadeleyi temsil eder. Pint, “Her şeye biraz bilim ve biraz da sanat katılıyor” dedi.
Füzyon için kritik bir zorluk, daha hafif kuzeni döteryum ile birlikte yarının füzyon reaktörleri için yakıt görevi görecek ağır bir hidrojen izotopu olan trityumun nasıl üretilip geri kazanılacağıdır. Bir füzyon reaksiyonunda, bu izotoplar, helyum ve bir nötron oluşturmak üzere çarpıştıkları bir plazmada Güneş benzeri sıcaklıklara ısıtılır ve kinetik enerji şeklinde enerji açığa çıkar.
Bilim adamları, bu hızlandırıcı nötronları daha yaygın metal lityuma yönlendirerek, reaktörün içinde trityum üretebilirler. Bir füzyon reaktöründe trityum üretmek için umut verici bir strateji, sıvı kurşun-lityumun reaktör “battaniyesi” - silisyum karbür akış kanalı ekleriyle özel çelikten yapılmış iç duvarlar - içinden kanalize edilmesini içerir.
Bununla birlikte, bir sorun oluşmaktadır: Devam eden kurşun-lityum akışı yavaş yavaş çeliği yiyip bitirecektir. Korozyonu en aza indirmek, uygulanabilir bir füzyon santrali için çok önemli bir adımdır. Kessel, “İçinden akan ve bu malzemeleri aşındıran bir sıvı yetiştiriciye sahip bu tür örtü, temel olarak bu korozyon mekanizmasıyla sınırlıdır” dedi.
Doktorası için sıvı metaller üzerine çalışan ve 2019 yılında ORNL’ye katılan Marie Romedenne, Pint’e yardım etmekte ve 1950’lerden beri kullanılan ORNL sıvı metal deneysel
yöntemleri hakkında daha fazla şey öğrenmektedir. Maruz kalan malzemelerin bileşimi de dahil olmak üzere birçok faktör korozyon oranlarına katkıda bulunur.
Bu faktörler; maruz kalan malzemelerin bileşimi, ne kadar süreyle maruz kaldığı, sıvının ne kadar hızlı aktığı, plazmayı kontrol etmek ve sınırlamak için kullanılan güçlü manyetik alanlar, sıcaklık ve sistemdeki kirliliklerdir. Bu korozyon sorunu, Pint ve Romedenne’e, gerçek bir füzyon reaktörünün koşullarına yaklaşırken bu faktörleri çözmek için tasarlanmış
birkaç deneyi planlama şansı verdi.
Ekip, malzemeleri 700 santigrat dereceye kadar sıcaklıklar da dahil olmak üzere çeşitli koşullar altında test eden bir dizi akış döngüsü oluşturdu. Bilim insanları döngünün içine,
bir füzyon cihazındaki bileşenler için kullanılacak olana benzer bir çelik numuneleri ve ayrıca silikon karbür numuneleri yerleştirdiler.
Mevcut füzyon tasarımlarına göre, silisyum karbür, sıvıyı çelik duvarlardan elektriksel olarak izole ederek kurşun-lityum akışındaki basınç düşüşünü azaltır. Bu yaklaşım, çelik ve silisyum karbür arasında aracılık eden kurşun-lityum ile birlikte var olan ve etkileşime giren üç malzemeyi destekler.
Her 1000 saatlik deneyden sonra numuneler, kırılgan hale gelip gelmedikleri ve sıvı kurşun
lityumda çözünerek ne kadar kütle kaybettiğini veya alternatif olarak yeni oluşan bileşikler tarafından eklenip eklenmediğini görmek için test edildi.
[caption id="attachment_144212" align="aligncenter" width="451"]
Bu çelik numune korozyon çalışmalarında kullanılmıştır. Görsel Kaynak:
ORNL, ABD Enerji Bakanlığı[/caption]
[caption id="attachment_144213" align="aligncenter" width="346"]
ORNL’den Bruce Pint, solda ve Marie Romedenne deney sonuçlarını gözden geçiriyor. Görsel Kaynak: ORNL, ABD Enerji Bakanlığı[/caption]
İlk deneyde Pint ve Romedenne, çelikteki demir ve kromun sıvı içinde çözüldüğünü ve daha sonra silikon karbür numuneleri ile reaksiyona girerek intermetalik bileşikler, silisitler ve demir ve krom karbürler oluşturduğunu buldular.
Bu yeni oluşan bileşikler, döngü boyunca akarken, halkanın daha soğuk ucundaki silisyum karbür numuneleri üzerinde birikerek nispeten kalın bir tabaka ile sonuçlanırlar. Pint,
“Aslında oldukça muhteşemdi - birkaç yüz mikron kalınlığında” dedi. “Biraz tepki verebilir diye düşündüm. Bu kadar tepki vereceğini tahmin etmemiştim.” Pint ve Romedenne ayrıca, döngünün yüksek sıcaklığını 700’den 650 santigrat dereceye düşürmenin, yeni oluşturulan bileşiklerin çok daha yavaş birikmesine yol açtığını keşfetti.
Pint, “Sadece silisyum karbürün varsa ve sıvıya koyacak bir demir ve krom kaynağınız yoksa, bu reaksiyonu görmezsiniz” dedi. “Daha önce hiç kimse tüm parçaları bir araya getirmemişti.” Demir ve krom silisyum karbür ile reaksiyona girdiğinden, kurşun-lityum çelik numuneleri önemli ölçüde aşındırdı.
“Test bittikten sonra zar zor oradaydılar” dedi. İkinci deneyde ekip, çeliği aşındırıcı sıvıdan korumak için ince bir alüminyum tabakasıyla kapladı, bu ilk kez bir akış deneyinde yapıldı. Pint, sonuçların cesaret verici olduğunu söyledi.
Pint, “Her şeyi mümkün olduğunca birleştirmeye çalışmamıza rağmen korozyon hala devam ediyor” dedi. “Ama işleri daha yönetilebilir bir düzeye indirdik. Kaplanmış çelik
numunelerimizin hiçbiri önemli ölçüde bozulmadı.”
Pint ve Romedenne, yaklaşan deneylerde, sistemde bu elementin ne kadarının bittiğini en aza indirmek için daha ince bir alüminyum tabakası kullanmayı planlıyor. Ayrıca, döngünün soğuk tarafındaki reaktan tabakasının büyümesini daha iyi incelemek için deneylerin uzunluğunu iki katına çıkarmayı ve 2.000 saate çıkarmayı planlıyorlar.
Romedenne, deneysel döngülerinin sınırlarının ötesine geçmek için, füzyon malzemelerinin endüstriyel sürelerde (50.000 saat veya daha fazla) korozyon ömürlerini tahmin etmek için modeller ve simülasyonlar kullanıyor. Ancak bu modelleri doğrulamak ve iyileştirmek için sürekli deneyler ve yeni test ortamları gereklidir.
Kessel, manyetik alanların korozyon hızları üzerindeki etkisini ölçmeye yardımcı olacak
mıknatıslara sahip olacak gelişmiş bir akış döngüsünün geliştirilmesi için şimdi zemin hazırlıyor. Kessel, “Bir füzyon pilot tesisi için gerçek çözümleri tanımlamamıza, göstermemize ve optimize etmemize izin vermek için mümkün olduğunca prototipik bir ortam yaratmak istiyoruz” dedi.
Bu araştırma, DOE Fusion Energy Sciences programı tarafından finanse edildi. UT-Battelle, Amerika Birleşik Devletleri’ndeki fizik bilimlerinde temel araştırmaların en büyük tek destekçisi olan Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi için ORNL’yi yönetmektedir.
Bilim Ofisi, zamanımızın en acil sorunlarından bazılarını ele almak için çalışıyor.
Kaynak: https://www.ornl.gov/news/experts-chip-away-corrosionfuture-fusion
