Development of a sic-based material for flow channel inserts in high-temperatura dcll blankets

Resumen

El diseño del blanket es un aspecto crucial en el desarrollo de la tecnología de fusión nuclear, especialmente de cara a DEMO, el último paso en el plan para el desarrollo de la energía de fusión en la Unión Europea. En una futura central de fusión, el blanket será el encargado de asegurar la autosuficiencia de tritio, así como de extraer la energía térmica necesaria para la producción de electricidad con la mayor eficiencia posible. De entre los diseños de blanket actualmente considerados para una futura central de fusión, es especialmente prometedor el denominado Dual Coolant Lead Lithium (DCLL); en este diseño, una aleación de PbLi líquida se utiliza como principal refrigerante, así como para la producción de tritio, alcanzando el metal líquido altas temperaturas y proporcionando altas eficiencias en la conversión de energía. No obstante, el desarrollo de este concepto requiere superar un alto nivel de I+D en diversas áreas de estudio. Entre los retos que se debe abordar se encuentra el desarrollo de un componente clave en el DCLL, denominado Flow Channel Inserts (FCIs), los canales huecos que contienen el metal líquido. Son los encargados de proporcionar aislamiento térmico de cara a proteger la estructura del acero del blanket de las altas temperaturas del PbLi; a su vez, aíslan eléctricamente, para evitar las interacciones electromagnéticas que se generan entre el fluido y el intenso campo magnético presente en el reactor, y protegen ante la corrosión y/o infiltración de PbLi durante su tiempo de operación. El principal material candidato para FCIs es carburo de silicio (SiC); de cara a maximizar las propiedades aislantes de este material, una de las posibilidades es el desarrollo de un material tipo sándwich de SiC, incluyendo un núcleo de SiC poroso y un recubrimiento de SiC denso. La presente tesis se centra en el desarrollo de dicho material para su aplicación en Flow Channel Inserts. En primer lugar, se realiza una discusión de tipo teórico, analizando el problema de los FCIs y determinando requisitos específicos para sus propiedades de cara a proporcionar una buena respuesta en servicio. Se discuten las tensiones térmicas generadas en su estructura, derivadas del gradiente térmico aislado por los canales, así como los denominados efectos magnetohidrodinámicos (MHD), determinando su efecto en el perfil de velocidades del metal líquido. La situación de transferencia de calor en el blanket es asimismo analizada, discutiendo el campo de temperaturas resultante. A partir de los resultados de dichos estudios se recomienda el uso de capas densas de SiC de 200 µm de grosor en el exterior del sándwich, así como el uso de un material en el núcleo con conductividad térmica alrededor de 10 W/m·K y una conductividad eléctrica menor a 1 S/m. Un segundo bloque de resultados se presenta a continuación, en el cual se aborda la fabricación experimental de un material basado en SiC con las propiedades anteriores. Para ello, se presenta una ruta de fabricación para SiC poroso basado en rutas pulvimetalúrgicas, donde la porosidad se introduce utilizando grafito esférico como fase de sacrificio. Con dicha ruta, materiales de SiC poroso con porosidades comprendidas entre el 35 y el 50% se fabrican satisfactoriamente. Los procesos derivados de la sinterización de estos materiales son analizados y sus propiedades caracterizadas, en términos de las conductividades térmica y eléctrica, la resistencia mecánica y el módulo elástico. La adaptación de la ruta de fabricación propuesta al método gelcasting es asimismo introducida, método prometedor de cara a producir piezas cerámicas de mayor tamaño y complejidad. Asimismo, la respuesta del SiC denso fabricado por el método CVD se caracteriza en ensayos de corrosión ante PbLi. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en la fabricación y caracterización de SiC poroso, el uso de un material con porosidad alrededor del 40% se recomienda en el núcleo del material sándwich.