Desarrollo de materiales para fusión en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL)

Por James Pearce

Los científicos del programa de ciencias de los materiales del Laboratorio Nacional Oak Ridge han estado ocupados durante la última mitad de siglo en el desarrollo de materiales que pueden resistir el entorno extremo dentro de un reactor nuclear. El logro de este objetivo ha demostrado ser un gran desafío. Los componentes de un reactor deben soportar la radiación neutrónica, temperaturas relativamente altas y esfuerzos térmicos y mecánicos masivos. Estos factores conspiran para debilitar y degradar los componentes dañando su microestructura y aprovechando estos defectos.

Durante décadas, los investigadores del ORNL han producido aceros y materiales compuestos cada vez más avanzados diseñados para extender la vida útil y mejorar la confiabilidad de los componentes de los reactores de fisión como la vaina de barra de combustible y los materiales estructurales. Sin embargo, más recientemente, el proyecto de energía para fusión ITER ha estimulado el interés en la aplicación de estos materiales en un entorno de fusión. ITER es un proyecto internacional de investigación y desarrollo multimillonario en dólares diseñado para demostrar la factibilidad de la potencia por fusión, y permitir los estudios de plasmas en combustión por auto calentamiento y de los componentes que serán necesarios para construir y mantener los reactores generadores de potencia (ver barra lateral "¿Qué es ITER?).

En la actualidad, más de la mitad de los fondos del Departamento de Energía de los EE. UU. para la investigación de materiales de fusión fluyen a través de la ORNL. El gerente del programa de materiales para fusión, el Dr. Roger Stoller, destacó que, desde los comienzos de la década del 80, el ORNL ha colaborado ampliamente con otros laboratorios nacionales (Pacific Northwest National Laboratory y Lawrence Livermore National Laboratory) y universidades (los campus Berkeley, Santa Barbara y Los Angeles de la Universidad de California) para desarrollar exactamente estos tipos de materiales. El programa de EE. UU. está expandido por dos colaboraciones de largo plazo y muy productivas con Japón, una involucra al Laboratorio Tokai de la Agencia de energía atómica de Japón y la otra a un consorcio de universidades japonesas.

"Principalmente estamos estudiando las propiedades de los materiales estructurales", explicó Stoller. "Estamos buscando los efectos de los daños de la radiación sobre los aceros avanzados y los compuestos de fibras de carburo de silicio avanzados. Estos materiales son interesantes para los investigadores en los campos de la fusión y de los reactores de fisión avanzada". Una de las dificultades de este tipo de investigación reside en la falta de una fuente de neutrones (aún en un reactor de fisión) que pueda alcanzar la energía y la intensidad del flujo de neutrones de un reactor de fusión.

La principal diferencia entre los entornos de fisión y fusión (en términos de daño potencial por radiación) es la energía de sus neutrones. El pico del espectro de energía de fisión es alrededor de 1 megaelectrón voltio (MeV) [métrico] En contraste, los neutrones surgidos de reacciones de fusión de deuterio y tritio tienen energías de 14.1 MeV [métrico]. Los modelos de computadora indican que el daño microestructural ocasionado por estos neutrones de mayor energía por lo general sería similar a aquellos causados por los neutrones de fisión de energía menor (ver Figura 1). Sin embargo, estos neutrones de fusión crearán mucho más hidrógeno y helio debido a las reacciones de transmutación nuclear con elementos en los componentes de acero. Estos gases pueden interactuar con los defectos inducidos por la radiación y formar burbujas dentro de la microestructura, tornando el acero más quebradizo y tendiente a las fisuras. Los experimentos realizados con el reactor de isótopos de alto flujo del ORNL, un reactor de fisión, parecen confirmar estas predicciones.

A medida que avanza su investigación, Stoller y sus colegas siguen acortando la brecha entre los componentes que funcionan en la teoría y aquellos en los que pueden confiar que funcionarán dentro de un reactor de fusión real. Los investigadores hacen esto con una combinación de experimentos realizados en HFIR, un arreglo de equipos analíticos y de caracterización y modelos computacionales altamente sofisticados. Para garantizar un examen amplio de las cuestiones que rodean al desarrollo de componentes, el programa de materiales de fusión del ORNL tiene cuatro puntos de énfasis principales: aceros de activación baja, compuestos de carburo de silicio, aceros reforzados por dispersión de óxido y la soldadura por fricción agitación.

Figura 1 - Resultados de las simulaciones de dinámica molecular que muestran átomos desplazados en hierro para cascadas en dos energías diferentes que están cerca del valor promedio para las energías neutrónicas de fisión (verde) y la fusión (rojo).

ACEROS DE BAJA ACTIVACIÓN

Una de las principales preocupaciones de quienes diseñan reactores de fusión es contar con la menor cantidad posible de radiactividad inducida posible en la estructura. "Por ejemplo," comentó Stoller", los reactores de fusión como el ITER serán enormes instalaciones con cientos de toneladas de componentes de acero. Por lo tanto, queremos usar material que sea lo más "ecológico" posible, de modo que después de un tiempo razonable, los componentes descartados puedan reciclarse, o al menos ser elegibles para enterrarlos en la tierra a poca profundidad".

Como resultado de estas preocupaciones ambientales, gran cantidad del trabajo en los programas de fusión durante los últimos 15 años se ha centrado en reemplazar elementos de acero convencional que se vuelven radioactivos con bastante facilidad y por largos periodos con materiales que son más resistentes a la activación, al tiempo que mantienen sus propiedades deseadas. Recientemente, gran parte del progreso en este sector ha sido logrado utilizando aceros ferríticos.

El Dr. Mikhail Sokolov, investigador en materiales de fusión, destacó que debido a su falta general de algunos elementos, los aceros ferríticos son menos susceptibles de activarse que los aceros inoxidables austeníticos como aquellos que se están utilizando en la construcción del ITER. "También podemos personalizar el contenido de aceros ferríticos para lograr niveles aún más bajos mediante el reemplazo de elementos de alta activación con elementos de baja activación que tienen propiedades similares", dijo.

Sokolov recordó que, cuando se estaba diseñando el ITER, los candidatos más prometedores para las aplicaciones estructurales eran los aceros inoxidables austeníticos. "Todavía no habíamos llegado al punto en el que podíamos calificar al acero ferrítico para aplicaciones estructurales", dijo, "y aún no hemos alcanzado plenamente esa meta. Sin embargo, el proyecto ITER incluye un programa para producir componentes de prueba realizados con estos aceros, pera ver como se comportan en entornos de fusión. El proyecto ITER no consiste sólo en probar que podemos construir un reactor de plasma, también se trata de probar que podemos crear materiales que soportarán esas condiciones y probar diferentes conceptos para diseñar esos materiales. Nuestro objetivo es crear materiales que soportarán este entorno agresivo sin crear residuos altamente radioactivos".

"Hasta el momento, hemos tenido mucho éxito en este sector", dijo Stoller. "En algunos casos los aceros de activación reducida que hemos desarrollado han tenido propiedades incluso mejores que los originales".

COMPUESTOS DE CARBURO DE SILICIO

Otro material de baja activación que ha demostrado ser una gran promesa para utilizarlo en entornos de fusión son los compuestos de fibras de carburo de silicio. Si bien la mayoría de los cerámicos son inherentemente quebradizos, los compuestos de carburo de silicio han demostrado ser muy duraderos. Stoller destacó que esta dureza surge de la estructura inusual de los compuestos. A diferencia de los cerámicos normales, la estructura de los compuestos de carburo de silicio está formada por un tejido de fibras, como la fibra de vidrio del marco de una bicicleta, que da una mayor resistencia a las fracturas. De todos modos desarrolla micro fracturas bajo esfuerzo, pero las fibras lo mantienen unido.

El Dr. Yutai Katoh, otro miembro del grupo de investigación de materiales de fusión que ha trabajado ampliamente con estos compuestos, compara su comportamiento bajo esfuerzo con el de otros metales. "Cuando se aplica un esfuerzo a la cerámica normal, se fractura o se quiebra repentinamente", dijo. "Los materiales compuestos, por otra parte, puede resistir grandes esfuerzos. Cuando fallan, lo hacen gradualmente, desarrollando microfracturas que eventualmente se propagan a través del compuesto. Este comportamiento es similar a la deformación del material bajo esfuerzo, se doblan antes de romperse". Esta capacidad de fallar "con gracia", en lugar de catastróficamente, es un rasgo particularmente rasgo deseable porque permite detectar los componentes dañados antes de que fallen. Como resultado, los compuestos de fibra de carburo de silicio se consideran a menudo para el uso en aplicaciones con altas cargas mecánicas.

Katoh, que preside el Subcomité C28.07 de ASTM International sobre Compuestos de matriz cerámica, agregó que estos compuestos son muy resistentes al daño por radiación. Cuando se los expone a alta radiación neutrónica, desarrollan una alta densidad de "auto-defectos." Estos defectos son simples fallas o irregularidades en la microestructura del material que sujetan la estructura y la protegen contra futuros daños. "Es una especie de mecanismo autoestabilizante dentro del material," explicó Katoh.

Los compuestos de carburo de silicio también son materiales atractivos para aplicaciones de fusión porque pierden su radioactividad muy rápidamente, algunas veces en tan solo unos días, cuando se los expone a la radiación. Al utilizar este tipo de material de baja activación en un proyecto se crea un residuo menos peligroso y se permite un mantenimiento del componente más rápido y sencillo.

Figura 2 - Resistencia a la tensión última del acero de baja activación comparada con las tres variantes reforzadas por dispersión de óxidos.

ACEROS REFORZADOS POR DISPERSIÓN DE ÓXIDOS

Otro punto destacado del programa de fusión del ORNL es el desarrollo de una variante de acero de baja activación para la que se ha propuesto la inclusión de una muy alta densidad de nanopartículas de óxido con un tamaño de 2 a 5 nanómetros. Esta nanoestructura distintiva da al acero reforzado por dispersión de óxidos una muy buena resistencia a la temperatura alta, convirtiéndola en un buen candidato para el uso en componentes estructurales en un reactor de fusión (ver Figura 2).

Según Stoller, la clave para crear este acero es el régimen de procesamiento previo que disuelve las partículas de óxido muy pequeñas de manera regular a lo largo del polvo utilizado para producir el acero reforzado por dispersión de óxidos. El polvo se coloca luego en una prensa de extrusión, que hace que se solidifique. El resultado es un acero que incluye una alta concentración de nanopartículas. Estas partículas permiten que el acero soporte temperaturas muchos más altas que sus contrapartes convencionales. "Estos materiales también tienen muy buena resistencia a la radiación a bajas temperaturas y muestran menos cambios en su dureza a medida que aumenta la exposición a la radiación". Dijo Stoller.

"Tratamos de maximizar la densidad de estas nanopartículas", dijo el Dr. David Hoelzer, investigador de materiales. "En la actualidad estamos obteniendo una densidad de 1024 por metro cúbico. Las partículas están separadas por tan solo 10 a 15 nanómetros. Es un grupo de partículas muy concentradas".

Cuando un neutrón bombardea este material y crea defectos, la alta densidad de nanopartículas puede atrapar los defectos y evita que migren a través de la microestructura del acero. "Estamos tratando de eliminar la posibilidad de que se acumulen defectos y de causar endurecimiento y fragilización por radiación", dijo Hoelzer.

Otra meta de estas partículas es evitar el desarrollo de pequeñas burbujas de helio de alta presión que pueden migrar a los límites del grano en el material y hacer que el material literalmente se parta. La prueba de este acero en el HFIR en condiciones similares a las del reactor de fusión ha descubierto que los grupos de óxido de itrio-titanio, en efecto, atrapan el helio en pequeñas burbujas y evitan que se muevan a los bordes del grano.

Hoelzer agregó que el programa de materiales de fusión del ORNL tiene actualmente uno de los enfoques más promisorios para producir acero ODS. "Incluso hay grupos de Europa, Japón y China que están intentando reproducir nuestra receta", dijo. "La tendencia es seguir lo que estamos haciendo. Nuestro objetivo es intentar perfeccionar el material y continuar con las pruebas de su durabilidad en entornos de radiación y su capacidad de atrapamiento."

SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN

Por supuesto, una vez que un acero soporta los rigores de un reactor de fusión, surge la cuestión de como moldear el acero para transformarlo en formas complejas. Normalmente, las piezas de acero pueden soldarse en casi cualquier configuración. Sin embargo, en el caso del acero reforzado por dispersión de óxidos (OSD por sus siglas en inglés), la soldadura estándar, es decir derretir las piezas para unirlas, cambiaría la concentración altamente uniforme de nanopartículas, tornando la soldadura más débil y tendiente a la quebradura.

Para solucionar este problema, los investigadores han adoptado la técnica relativamente nueva de la soldadura por fricción agitación. Originalmente desarrollado para unir aluminio, este proceso se ha aplicado recientemente con éxito a varios otros metales, incluido el acero ODS. La soldadura por fricción agitación utiliza una pequeña herramienta rotativa para abrirse camino por los bordes adyacentes de las piezas del material. La fricción creada por este proceso calienta los bordes al punto que pueden unirse, plastificándolos sin que se calienten tanto que se derritan y pierdan su microestructura única. El Dr. Zhili Feng, líder del grupo de unión de materiales del ORNL, observó que la ventaja de la soldadura por fricción agitación sobre otras alternativas, tal como la soldadura dura y otras alternativas que usan la fricción, es que puede admitir geometrías complejas al tiempo que crea una soldadura con propiedades tan buenas como las del metal base.

"Hemos demostrado con éxito que podemos unir por fricción agitación el acero ODS al tiempo que se mantienen las características deseables de su microestructura", agregó Feng. "Sin embargo, hay mucho otros aspectos más del proceso que deben solucionarse. Por ejemplo, la soldadura por fricción agitación produce algunos granos finos en el metal. Nos gustaría desarrollar un tratamiento térmico post soldadura para eliminar estos pequeños granos y reducir el potencial de creep por alta temperatura en el acero ODS".

EL DESAFÍO

Los investigadores del programa de materiales del ORNL y sus colaboradores de la comunidad de ciencias de los materiales, empleando un juego completo de recursos experimentales, analíticos y computacionales, han progresado mucho en la dilucidación del entorno extremo en el que deberán desempeñarse los componentes del reactor de fusión. Los avances del programa en la mitigación de los efectos del daño por radiación en materiales compuestos y aceros ODS y la fabricación de componentes resistentes a la radiación, así como sus mejoras y el desarrollo de materiales de baja activación demuestran la efectividad de este enfoque multilateral.

El desafío para el programa tiene dos partes: desarrollar un entendimiento más preciso de los mecanismos que controlan el comportamiento microestructural de los materiales avanzados y aplicar el entendimiento al comportamiento de los materiales complejos, mejorando los materiales existentes y diseñando otros mejores.

		Magazines & Newsletters / ASTM Standardization News feature PRINCIPAL \| ANUNCIANTES \| CABECERA \| ARCHIVO SUBSCRIPCIONES \| CONTACTO \| EJEMPLAR GRATIS Enero/Febrero 2010 Seccione Desarrollo de materiales para fusión en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) Por James Pearce Los científicos del programa de ciencias de los materiales del Laboratorio Nacional Oak Ridge han estado ocupados durante la última mitad de siglo en el desarrollo de materiales que pueden resistir el entorno extremo dentro de un reactor nuclear. El logro de este objetivo ha demostrado ser un gran desafío. Los componentes de un reactor deben soportar la radiación neutrónica, temperaturas relativamente altas y esfuerzos térmicos y mecánicos masivos. Estos factores conspiran para debilitar y degradar los componentes dañando su microestructura y aprovechando estos defectos. Durante décadas, los investigadores del ORNL han producido aceros y materiales compuestos cada vez más avanzados diseñados para extender la vida útil y mejorar la confiabilidad de los componentes de los reactores de fisión como la vaina de barra de combustible y los materiales estructurales. Sin embargo, más recientemente, el proyecto de energía para fusión ITER ha estimulado el interés en la aplicación de estos materiales en un entorno de fusión. ITER es un proyecto internacional de investigación y desarrollo multimillonario en dólares diseñado para demostrar la factibilidad de la potencia por fusión, y permitir los estudios de plasmas en combustión por auto calentamiento y de los componentes que serán necesarios para construir y mantener los reactores generadores de potencia (ver barra lateral "¿Qué es ITER?). En la actualidad, más de la mitad de los fondos del Departamento de Energía de los EE. UU. para la investigación de materiales de fusión fluyen a través de la ORNL. El gerente del programa de materiales para fusión, el Dr. Roger Stoller, destacó que, desde los comienzos de la década del 80, el ORNL ha colaborado ampliamente con otros laboratorios nacionales (Pacific Northwest National Laboratory y Lawrence Livermore National Laboratory) y universidades (los campus Berkeley, Santa Barbara y Los Angeles de la Universidad de California) para desarrollar exactamente estos tipos de materiales. El programa de EE. UU. está expandido por dos colaboraciones de largo plazo y muy productivas con Japón, una involucra al Laboratorio Tokai de la Agencia de energía atómica de Japón y la otra a un consorcio de universidades japonesas. "Principalmente estamos estudiando las propiedades de los materiales estructurales", explicó Stoller. "Estamos buscando los efectos de los daños de la radiación sobre los aceros avanzados y los compuestos de fibras de carburo de silicio avanzados. Estos materiales son interesantes para los investigadores en los campos de la fusión y de los reactores de fisión avanzada". Una de las dificultades de este tipo de investigación reside en la falta de una fuente de neutrones (aún en un reactor de fisión) que pueda alcanzar la energía y la intensidad del flujo de neutrones de un reactor de fusión. La principal diferencia entre los entornos de fisión y fusión (en términos de daño potencial por radiación) es la energía de sus neutrones. El pico del espectro de energía de fisión es alrededor de 1 megaelectrón voltio (MeV) [métrico] En contraste, los neutrones surgidos de reacciones de fusión de deuterio y tritio tienen energías de 14.1 MeV [métrico]. Los modelos de computadora indican que el daño microestructural ocasionado por estos neutrones de mayor energía por lo general sería similar a aquellos causados por los neutrones de fisión de energía menor (ver Figura 1). Sin embargo, estos neutrones de fusión crearán mucho más hidrógeno y helio debido a las reacciones de transmutación nuclear con elementos en los componentes de acero. Estos gases pueden interactuar con los defectos inducidos por la radiación y formar burbujas dentro de la microestructura, tornando el acero más quebradizo y tendiente a las fisuras. Los experimentos realizados con el reactor de isótopos de alto flujo del ORNL, un reactor de fisión, parecen confirmar estas predicciones. A medida que avanza su investigación, Stoller y sus colegas siguen acortando la brecha entre los componentes que funcionan en la teoría y aquellos en los que pueden confiar que funcionarán dentro de un reactor de fusión real. Los investigadores hacen esto con una combinación de experimentos realizados en HFIR, un arreglo de equipos analíticos y de caracterización y modelos computacionales altamente sofisticados. Para garantizar un examen amplio de las cuestiones que rodean al desarrollo de componentes, el programa de materiales de fusión del ORNL tiene cuatro puntos de énfasis principales: aceros de activación baja, compuestos de carburo de silicio, aceros reforzados por dispersión de óxido y la soldadura por fricción agitación. Figura 1 - Resultados de las simulaciones de dinámica molecular que muestran átomos desplazados en hierro para cascadas en dos energías diferentes que están cerca del valor promedio para las energías neutrónicas de fisión (verde) y la fusión (rojo). ACEROS DE BAJA ACTIVACIÓN Una de las principales preocupaciones de quienes diseñan reactores de fusión es contar con la menor cantidad posible de radiactividad inducida posible en la estructura. "Por ejemplo," comentó Stoller", los reactores de fusión como el ITER serán enormes instalaciones con cientos de toneladas de componentes de acero. Por lo tanto, queremos usar material que sea lo más "ecológico" posible, de modo que después de un tiempo razonable, los componentes descartados puedan reciclarse, o al menos ser elegibles para enterrarlos en la tierra a poca profundidad". Como resultado de estas preocupaciones ambientales, gran cantidad del trabajo en los programas de fusión durante los últimos 15 años se ha centrado en reemplazar elementos de acero convencional que se vuelven radioactivos con bastante facilidad y por largos periodos con materiales que son más resistentes a la activación, al tiempo que mantienen sus propiedades deseadas. Recientemente, gran parte del progreso en este sector ha sido logrado utilizando aceros ferríticos. El Dr. Mikhail Sokolov, investigador en materiales de fusión, destacó que debido a su falta general de algunos elementos, los aceros ferríticos son menos susceptibles de activarse que los aceros inoxidables austeníticos como aquellos que se están utilizando en la construcción del ITER. "También podemos personalizar el contenido de aceros ferríticos para lograr niveles aún más bajos mediante el reemplazo de elementos de alta activación con elementos de baja activación que tienen propiedades similares", dijo. Sokolov recordó que, cuando se estaba diseñando el ITER, los candidatos más prometedores para las aplicaciones estructurales eran los aceros inoxidables austeníticos. "Todavía no habíamos llegado al punto en el que podíamos calificar al acero ferrítico para aplicaciones estructurales", dijo, "y aún no hemos alcanzado plenamente esa meta. Sin embargo, el proyecto ITER incluye un programa para producir componentes de prueba realizados con estos aceros, pera ver como se comportan en entornos de fusión. El proyecto ITER no consiste sólo en probar que podemos construir un reactor de plasma, también se trata de probar que podemos crear materiales que soportarán esas condiciones y probar diferentes conceptos para diseñar esos materiales. Nuestro objetivo es crear materiales que soportarán este entorno agresivo sin crear residuos altamente radioactivos". "Hasta el momento, hemos tenido mucho éxito en este sector", dijo Stoller. "En algunos casos los aceros de activación reducida que hemos desarrollado han tenido propiedades incluso mejores que los originales". COMPUESTOS DE CARBURO DE SILICIO Otro material de baja activación que ha demostrado ser una gran promesa para utilizarlo en entornos de fusión son los compuestos de fibras de carburo de silicio. Si bien la mayoría de los cerámicos son inherentemente quebradizos, los compuestos de carburo de silicio han demostrado ser muy duraderos. Stoller destacó que esta dureza surge de la estructura inusual de los compuestos. A diferencia de los cerámicos normales, la estructura de los compuestos de carburo de silicio está formada por un tejido de fibras, como la fibra de vidrio del marco de una bicicleta, que da una mayor resistencia a las fracturas. De todos modos desarrolla micro fracturas bajo esfuerzo, pero las fibras lo mantienen unido. El Dr. Yutai Katoh, otro miembro del grupo de investigación de materiales de fusión que ha trabajado ampliamente con estos compuestos, compara su comportamiento bajo esfuerzo con el de otros metales. "Cuando se aplica un esfuerzo a la cerámica normal, se fractura o se quiebra repentinamente", dijo. "Los materiales compuestos, por otra parte, puede resistir grandes esfuerzos. Cuando fallan, lo hacen gradualmente, desarrollando microfracturas que eventualmente se propagan a través del compuesto. Este comportamiento es similar a la deformación del material bajo esfuerzo, se doblan antes de romperse". Esta capacidad de fallar "con gracia", en lugar de catastróficamente, es un rasgo particularmente rasgo deseable porque permite detectar los componentes dañados antes de que fallen. Como resultado, los compuestos de fibra de carburo de silicio se consideran a menudo para el uso en aplicaciones con altas cargas mecánicas. Katoh, que preside el Subcomité C28.07 de ASTM International sobre Compuestos de matriz cerámica, agregó que estos compuestos son muy resistentes al daño por radiación. Cuando se los expone a alta radiación neutrónica, desarrollan una alta densidad de "auto-defectos." Estos defectos son simples fallas o irregularidades en la microestructura del material que sujetan la estructura y la protegen contra futuros daños. "Es una especie de mecanismo autoestabilizante dentro del material," explicó Katoh. Los compuestos de carburo de silicio también son materiales atractivos para aplicaciones de fusión porque pierden su radioactividad muy rápidamente, algunas veces en tan solo unos días, cuando se los expone a la radiación. Al utilizar este tipo de material de baja activación en un proyecto se crea un residuo menos peligroso y se permite un mantenimiento del componente más rápido y sencillo. Figura 2 - Resistencia a la tensión última del acero de baja activación comparada con las tres variantes reforzadas por dispersión de óxidos. ACEROS REFORZADOS POR DISPERSIÓN DE ÓXIDOS Otro punto destacado del programa de fusión del ORNL es el desarrollo de una variante de acero de baja activación para la que se ha propuesto la inclusión de una muy alta densidad de nanopartículas de óxido con un tamaño de 2 a 5 nanómetros. Esta nanoestructura distintiva da al acero reforzado por dispersión de óxidos una muy buena resistencia a la temperatura alta, convirtiéndola en un buen candidato para el uso en componentes estructurales en un reactor de fusión (ver Figura 2). Según Stoller, la clave para crear este acero es el régimen de procesamiento previo que disuelve las partículas de óxido muy pequeñas de manera regular a lo largo del polvo utilizado para producir el acero reforzado por dispersión de óxidos. El polvo se coloca luego en una prensa de extrusión, que hace que se solidifique. El resultado es un acero que incluye una alta concentración de nanopartículas. Estas partículas permiten que el acero soporte temperaturas muchos más altas que sus contrapartes convencionales. "Estos materiales también tienen muy buena resistencia a la radiación a bajas temperaturas y muestran menos cambios en su dureza a medida que aumenta la exposición a la radiación". Dijo Stoller. "Tratamos de maximizar la densidad de estas nanopartículas", dijo el Dr. David Hoelzer, investigador de materiales. "En la actualidad estamos obteniendo una densidad de 1024 por metro cúbico. Las partículas están separadas por tan solo 10 a 15 nanómetros. Es un grupo de partículas muy concentradas". Cuando un neutrón bombardea este material y crea defectos, la alta densidad de nanopartículas puede atrapar los defectos y evita que migren a través de la microestructura del acero. "Estamos tratando de eliminar la posibilidad de que se acumulen defectos y de causar endurecimiento y fragilización por radiación", dijo Hoelzer. Otra meta de estas partículas es evitar el desarrollo de pequeñas burbujas de helio de alta presión que pueden migrar a los límites del grano en el material y hacer que el material literalmente se parta. La prueba de este acero en el HFIR en condiciones similares a las del reactor de fusión ha descubierto que los grupos de óxido de itrio-titanio, en efecto, atrapan el helio en pequeñas burbujas y evitan que se muevan a los bordes del grano. Hoelzer agregó que el programa de materiales de fusión del ORNL tiene actualmente uno de los enfoques más promisorios para producir acero ODS. "Incluso hay grupos de Europa, Japón y China que están intentando reproducir nuestra receta", dijo. "La tendencia es seguir lo que estamos haciendo. Nuestro objetivo es intentar perfeccionar el material y continuar con las pruebas de su durabilidad en entornos de radiación y su capacidad de atrapamiento." SOLDADURA POR FRICCIÓN AGITACIÓN Por supuesto, una vez que un acero soporta los rigores de un reactor de fusión, surge la cuestión de como moldear el acero para transformarlo en formas complejas. Normalmente, las piezas de acero pueden soldarse en casi cualquier configuración. Sin embargo, en el caso del acero reforzado por dispersión de óxidos (OSD por sus siglas en inglés), la soldadura estándar, es decir derretir las piezas para unirlas, cambiaría la concentración altamente uniforme de nanopartículas, tornando la soldadura más débil y tendiente a la quebradura. Para solucionar este problema, los investigadores han adoptado la técnica relativamente nueva de la soldadura por fricción agitación. Originalmente desarrollado para unir aluminio, este proceso se ha aplicado recientemente con éxito a varios otros metales, incluido el acero ODS. La soldadura por fricción agitación utiliza una pequeña herramienta rotativa para abrirse camino por los bordes adyacentes de las piezas del material. La fricción creada por este proceso calienta los bordes al punto que pueden unirse, plastificándolos sin que se calienten tanto que se derritan y pierdan su microestructura única. El Dr. Zhili Feng, líder del grupo de unión de materiales del ORNL, observó que la ventaja de la soldadura por fricción agitación sobre otras alternativas, tal como la soldadura dura y otras alternativas que usan la fricción, es que puede admitir geometrías complejas al tiempo que crea una soldadura con propiedades tan buenas como las del metal base. "Hemos demostrado con éxito que podemos unir por fricción agitación el acero ODS al tiempo que se mantienen las características deseables de su microestructura", agregó Feng. "Sin embargo, hay mucho otros aspectos más del proceso que deben solucionarse. Por ejemplo, la soldadura por fricción agitación produce algunos granos finos en el metal. Nos gustaría desarrollar un tratamiento térmico post soldadura para eliminar estos pequeños granos y reducir el potencial de creep por alta temperatura en el acero ODS". EL DESAFÍO Los investigadores del programa de materiales del ORNL y sus colaboradores de la comunidad de ciencias de los materiales, empleando un juego completo de recursos experimentales, analíticos y computacionales, han progresado mucho en la dilucidación del entorno extremo en el que deberán desempeñarse los componentes del reactor de fusión. Los avances del programa en la mitigación de los efectos del daño por radiación en materiales compuestos y aceros ODS y la fabricación de componentes resistentes a la radiación, así como sus mejoras y el desarrollo de materiales de baja activación demuestran la efectividad de este enfoque multilateral. El desafío para el programa tiene dos partes: desarrollar un entendimiento más preciso de los mecanismos que controlan el comportamiento microestructural de los materiales avanzados y aplicar el entendimiento al comportamiento de los materiales complejos, mejorando los materiales existentes y diseñando otros mejores.