DiFusion - Dispersões de Diamante em Metais Nanoestruturados: Novos Materiais para Reactores de Fusão

resumo

A fusão nuclear é uma fonte de energia de longo prazo, segura e ambientalmente benigna, adequada para a produção em larga escala de energia eléctrica necessária para um desenvolvimento sustentável da sociedade. A elevada temperatura de fusão do tungsténio associada a uma baixa radioactivação e reduzida retenção de trítio, tornam-no adequado para componentes com exposição directa ao plasma. Por outro lado, a extracção de calor na primeira parede deverá ser realizada através de ligas de cobre, devido às suas condutividade térmica e resistência à radiação favoráveis. Porém, o aumento da temperatura de operação exige a ambos os materiais um excelente desempenho a nível de estabilidade microestrutural e condução de calor. A condutividade térmica extremamente elevada do diamante confere às suas dispersões em materiais metálicos propriedades adequadas para aplicação em gestão térmica. Para além disso, tais dispersões reforçam a estabilidade microestrutural e a resistência mecânica. Os compósitos de W-Diamante são portanto promissores como materiais de primeira parede. Adicionalmente, espera-se que os compósitos de Cu-Diamante de condutividade térmica excepcional e de elevada estabilidade microestrutural, apresentem menor diferença de expansão térmica em relação aos materiais à base de W.

O projecto de investigação tem como intuito desenvolver compósitos nanoestruturados de W-Diamante e Cu-Diamante. No entanto, a ligação do diamante às matrizes seleccionadas oferece dificuldades de ordem fundamental; por um lado o W é um forte formador de carbonetos, por outro o Cu apresenta uma ligação intrinsecamente difícil com diamante: No que concerne a matriz formadora de carbonetos, a moagem de energia moderada pode ser usada para dispersar finamente o diamante sem promover a reacção de equilíbrio. A sinterização com plasma de descarga (SPS) /ou laminagem a quente preserva a química metaestável do sistema e a nanoestrutura da matriz durante a consolidação. No que diz respeito à matriz de Cu, a moagem de mais alta energia é usada para desenvolver resistência mecânica na matriz metálica e induzir estabilidade microestrutural. Intercamadas condutoras fazem aumentar o desempenho do material em termos de resistência mecânica da ligação e transferência de calor interfacial. A consolidação termomecânica envolvendo extrusão ou laminagem a quente permitirá produzir compósitos de Cu-Diamante com condutividade térmica e resistência mecânica optimizadas. Em particular no campo da fusão nuclear a existência de nanoestrutura promove fenómenos de regeneração do material aumentando a resistência aos defeitos induzidos pela radiação. Por outro lado o transporte de calor através de fonões nas estruturas sp3 de carbono permite obter enormes ganhos de difusividade térmica nos compósitos em relação a estruturas exclusivamente metálicas.

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