Desarrollo de aleaciones de wolframio autopasivantes W-Cr-Ti y W-Cr-Y para su aplicación en la primera pared de un futuro reactor de fusión nuclear (demo)

Resumen

Actualmente, el wolframio puro es el principal material candidato para los componentes directamente expuestos al plasma en futuros reactores de fusión nuclear, como la primera pared del blanket, debido a sus excelentes propiedades termo-físicas. Sin embargo, el empleo de wolframio puro supone un riesgo de seguridad en caso de que se produzca un accidente con pérdida de refrigerante (Loss-Of-Coolant Accident, LOCA) y entrada simultánea de aire en la vasija del reactor, ya que, en un plazo de 10 a 30 días, se alcanzarían temperaturas del orden de 1000 ºC debido al calor de desintegración nuclear. En estas circunstancias, el wolframio se oxidaría rápidamente formando óxidos volátiles y, en este caso, también radioactivos. Una posible solución para mitigar este riesgo es la adición al wolframio de elementos aleantes que en presencia de oxígeno a altas temperaturas forman una capa de óxido densa y estable que protege el material frente a la oxidación. Inicialmente, en el Instituto Max-Planck de Física del Plasma (IPP) de Garching (Alemania) se fabricaron aleaciones de wolframio en capas delgadas mediante la técnica de deposición física en fase vapor (Physical Vapour Deposition, PVD) y se comprobó que las tasas de oxidación de los sistemas W-Cr-Si y W-Cr-Ti eran hasta cuatro i Resumen órdenes de magnitud menores que la del wolframio puro expuesto a aire a 1000 ºC, debido a la formación de una capa protectora de Cr2O3. Sin embargo, el espesor requerido en la primera pared de DEMO es de varios milímetros, por lo que no es factible emplear dicha técnica en el desarrollo de las aleaciones. Como alternativa, Ceit-IK4 propuso la fabricación de las aleaciones mediante la ruta pulvimetalúrgica y se observó que se obtenía un comportamiento frente a la oxidación similar al mostrado por el material de capas delgadas. Tomando como punto de partida el trabajo previo realizado en Ceit-IK4, en la presente tesis doctoral se demuestra la viabilidad del desarrollo de aleaciones de wolframio empleando una ruta pulvimetalúrgica basada en la aleación mecánica del sistema de polvos y la posterior densificación mediante prensado isostático en caliente (Hot Isostatic Pressing, HIP). Se han obtenido aleaciones de diferentes composiciones totalmente densas y con una microestructura ultrafina de los sistemas W-Cr-Ti y W-Cr-Y. Se ha estudiado su resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas (800-1000 ºC) durante largos periodos de tiempo (24-72 h) y se han analizado los mecanismos que determinan su carácter autopasivante. Además, se ha analizado el comportamiento mecánico de las aleaciones, incluyendo su resistencia a fatiga térmica y choque térmico en instalaciones especialmente concebidas para ensayar materiales en condiciones similares a las esperadas en futuros reactores de fusión nuclear. Se ha estudiado en profundidad la aleación W-10Cr-0,5Y y se ha comprobado que la tasa de oxidación se reduce considerablemente con respecto a todas las aleaciones desarrolladas hasta el momento y, además, mejora con el aumento de la cantidad de itrio hasta 1,5% en peso. La aleación W-10Cr- 0,5Y sometida a un tratamiento térmico presenta resultados muy prometedores de resistencia a fatiga térmica y choque térmico, incluso bajo condiciones de carga similares a las esperadas en el divertor de DEMO, mucho más severas que las que tendrá que soportar el material en la primera pared del blanket.