Studii asupra materialelor compozite avansate...
Transcript of Studii asupra materialelor compozite avansate...
Magdalena GALATANU
UNIVERSITATEA DIN BUCURESTI SCOALA DOCTORALA DE FIZICA
Rezumatul tezei de doctorat
Studii asupra materialelor compozite
avansate destinate
reactoarelor de fuziune nucleara
2018
Doctorand: Magdalena GALATANU
Conducator de doctorat: Prof. CS1 Dr. Gheorghe DINESCU
Multumesc,
in primul rand domnului Prof. Dr. Gheorghe Dinescu, pentru coordonarea acestei
lucrari, pentru efortul depus si sprijinul consistent pe care mi l-a acordat pe intreaga
perioada a studiului doctoral finalizat prin aceasta teza.
De asemenea le multumesc pentru colaborare colegilor mei din INCDFM si din
consortiul EUROfusioni si in mod deosebit:
Doamnei Dr. Monica Enculescu pentru sprijinul acordat in nvestigatiilor prin SEM,
Domnului Ing. George Ruiu pentru sprijinul acordat in procesarea probelor,
Domnului Ing. Mihai Cioca pentru realizarea matritelor din grafit,
Domnului. Dr. Bogdan Popescu pentru realizarea simularilor prin FEM,
Domnului Dr. Ion Tiseanu pentru realizarea microtomografiilor de raze X,
Domnului Dr. Catalin Ticos pentru realizarea experimentelor de iradiere,
Domnului Dr. Cristi Stancu pentru depunerile realizate pe foliiile de W,
Domnilor Ing. Gabriel Dobrescu si Ing. Mihai Mihail pentru sprijinul prompt in
depanarea instalatiilor experimentale,
Colegului si sotului meu, Dr. Andrei Galatanu pentru atragerea interesului meu spre
domeniul materialelor pentru fuziune si pentru criticile constructive in activitatile
legate de elaborarea acestei teze.
Nu in ultimul rand multumesc familiei pentru incurajare si sprijin, iar fiului meu Alex
in particular pentru intelegerea inteleapta a faptului ca „si mami merge la scoala”.
i This work has been carried out within the framework of the EUROfusion Consortium and has
received funding from the Euratom research and training programme 2014-2018 under grand
agreement No 633053, WP-EDU and WP-MAT. The views and opinions expressed herein do
not necessarily reflect those of European Commission.
Magdalena GALATANU
1
Cuprins
1. Introducere 2
2. Materiale pentru reactoare de fuziune nucleara 5
a. Conditii de lucru si cerinte pentru materialele utilizate
in reactoare de fuziune 5
b. Interactiuni intre plasma si peretii incintei 7
c. Efectele iradierii cu neutroni 8
d. Efecte termice 11
e. Domenii critice pentru materiale structurale: divertor si blanket 12
3. SiC, un material ceramic cu potential ridicat pentru aplicatii
in reactoare de fuziune 15
a. De ce este considerat SiC un material bun pentru fuziune 15
b. Nano-structurarea SiC si ajustarea proprietatilor termice
prin dispersii metalice 17
c. Optimizarea morfologiei matricei de SiC 33
4. W, un material refractar de baza pentru fuziune 52
a. Limite si provocari pentru ingineria materialelor cu W 52
b. Compozite cu W ca solutie alternativa pentru armura reactorului 55
c. Compozite multistrat cu W si posibilitatea utilizarii W ca material
structural 80
5. Materiale compozite cu matrice de Cu 102
a. Materiale de interfata in componenta schimbatoarelor de caldura 102
b. Materiale cu gradient compozitional Cu-W 103
c. Bariere termice din Cu cu dispersii ceramice sau C 121
6. Concluzii 156
7. Bibliografie 162
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
2
1. Introducere
Obtinerea de energie in cantitati suficiente pentru a acoperi nevoile mereu in
crestere ale societatii, utilizand resurse disponibile pe termen lung si evitand poluarea
constituie un deziderat de principiu al intregii omeniri. Majoritatea acestor surse, se
bazeaza pe lumina solara, energia eoliana, a mareelor sau cea geotermala. Desi ele pot
fi considerate virtual nelimitate, aceste surse depind insa de factori aleatorii cum este
vremea sau in cazul energiei geotermale sunt greu accesibile. Din aceasta perspectiva,
obtinerea de energie din fuziune nucleara apare ca o alternativa promitatoare.
Maturitatea la care au ajuns stiinta si tehnologia in acest moment ne permit sa speram
ca fuziunea nucleara ar putea fi stapanita si utilizata in producerea de energie intr-un
viitor aflat la numai cateva zeci de ani in fata [1]. Pentru concretizarea sa este nevoie
insa de un urias efort la nivel global, efort concretizat de catre Uniunea Europeana,
care sustine un vast program de cercetare focalizat in aceasta directie.
Un astfel de efort implica in mod evident aproape toate domeniile stiintei, dar in
mod specific trebuie particularizat domeniul legat de dezvoltarea materialelor.
Motivul este firesc pentru ca, desi progresul in celelalte domenii (in special cel legat
de fizica plasmei) este definitoriu pentru posibilitatea sau imposibilitatea realizarii
fuziunii controlate, stiintele legate de materiale sunt direct raspunzatoare pentru
asigurarea unei instalatii de producere a energiei in conditii de eficienta si siguranta.
Astfel, materialele destinate realizarii unui reactor de fuziune nucleara reprezinta
o provocare pentru comunitatea stiintifica mondiala, datorita conditiilor extreme la
care diferitele componente urmeaza sa fie supuse in cursul functionarii. De exemplu,
in cadrul proiectului european privind reactorul DEMO (European Demonstration
Fusion Power Plant) se estimeaza [2] ca materialele care vor constitui armura
reactorului la nivelul divertorului vor trebui sa suporte fluxuri de caldura pana la 10-
15 MW/m2 in cateva mii de cicluri de fuziune pe an de functionare si sa reziste la
iradieri ce pot produce circa 10 dpa (dislocari per atom, in lb. engl.). In cazul
sistemului de conversie a neutronilor in energie (blanket) dozele de iradiere sunt si
mai mari, de pana la 100 dpa, cu fluxuri de energie de ordinul a cativa MW/m2. Aceste
conditii depasesc uneori cu aproape un ordin de marime conditiile uzuale intalnite
chiar si in cele mai avansate reactoare de fisiune [3] si cu multe ordine de marime
solicitarile intalnite in centrale conventionale. La ora actuala asemenea materiale nu
sunt disponibile, de unde rezulta si motivatia unor cercetari extinse si accelerate in
intreaga lume pentru proiectarea, realizarea si testarea unor noi concepte si materiale.
Avand in vedere numarul mic de elemente acceptabile intr-un reactor de fuziune
(pentru a evita producerea de izotopi radioactivi cu durata de viata lunga),
particularitatile materialelor care se formeaza cu aceste elemente, precum si conditiile
extreme la care trebuie sa reziste acestea, este necesara in cele mai multe cazuri
realizarea unor compozite care sa imbine cat mai favorabil proprietatile diferite ale
acestor elemente, fie la nivel de bulk (in volum) fie la nivel de suprafata. In acest sens,
in lucrarea de fata ne propunem sa utilizam si sa dezvoltam tehnicile experimentale
existente in INCDFM pentru a realiza si studia astfel de compozite.
Magdalena GALATANU
3
Dupa ce in capitolul 2 este realizata o scurta introducere asupra problematicii cu
care se confrunta domeniul dezvoltarii materialelor pentru fuziune, in continuare,
lucrarea este focalizata pe trei clase de materiale care reprezinta candidati cu un
potential ridicat in realizarea viitoarelor reactoare de fuziune nucleara. Aceste
materiale au fost produse, procesate si analizate in cadrul studiului doctoral realizat
majoritar in INCDFM, beneficiind totodata si de colaborarea cu grupuri de cercetatori
din INFLPR precum si din cadrul colaborarii cu consortiul EUROfusion.
Astfel capitolul 3 este dedicat materialelor compozite bazate pe SiC, unde
interesul principal a fost pe de o parte realizarea unor materiale cu matrice de SiC
nanostructurata pentru a imbunatati comportarea in cazul iradierii si avand in acelasi
timp o conductibilitate termica crescuta si pe de alta parte cresterea densitatii
matricelor de SiC pentru a putea fi utilizate in cadrul unor compozite intarite cu
diverse fibre.
In capitolul 4 sunt abordate materialele compozite pe baza de W, in care efectele
unor insertii de particule metalice sau ceramice sunt utilizate pentru a studia
posibilitatile de a imbunatati comportarea W in fluxuri mari de caldura si in cazul
expunerii la oxigen. De asemenea sunt prezentate rezultatele obtinute pentru
compozite stratificate realizate prin suprapunerea de folii subtiri metalice din W si
diferite alte metale, asa numitele „W-laminates”, materiale care ar putea oferi o solutie
structurala in cadrul proiectului pentru divertorul reactorului DEMO.
Capitolul 5 este dedicat studiului materialelor de interfata pe baza de Cu. Astfel
de materiale trebuie sa asigure legatura intre o armura care va fi realizata cel mai
probabil din W si schimbatorul de caldura al divertorului care este conceput utilizand
aliaje dure pe baza de Cu [2]. Pentru a realiza aceasta interfata sunt abordate doua
strategii, una bazata pe materiale cu gradient compozitional W-Cu si una bazata pe
materiale de tip bariera termica in care sunt studiate compozite din Cu cu concentratie
mari de materiale ceramice sau C.
Capitolul 6 este destinat prezentarii concluziilor lucrarii de fata, subliniind
posibile strategii de dezvoltare ulterioara a materialelor studiate.
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
4
2. Materiale pentru reactoare de fuziune nucleara
Miezul reactorului de fuziune nucleara este un vas toroidal cu un diametru de
ordinul a zece metri care contine o plasma la presiune de circa 10-3 mbar si o
temperatura de circa 200 milioane de grade. Desi se presupune ca in regimul de lucru,
plasma, care este confinata magnetic, nu trebuie sa interactioneze cu peretii interiori
ai incintei, o astfel de interactiune nu poate fi exclusa datorita turbulentelor
accidentale. In acesta situatie materialele aflate in posibil contact direct cu plasma
(denumite generic ca materiale ale primului perete, „first wall”, sau materiale care
sunt direct expuse plasmei, „plasma facing components”, PFC) trebuie sa
indeplineasca numeroase conditii speciale, unele chiar contradictorii. Mai mult, in
divertorul reactorului, a carui functie este de a permite eliminarea impuritatilor din
plasma, interactiunea dintre particulele din plasma cu PFC este inevitabila. Incinta are
si un rol structural, iar proprietatile mecanice ale materialelor supuse iradierii cu
neutroni sunt diminuate, ceea ce limiteaza durata lor de utilizare. Tot din punctul de
vedere al reactiilor nucleare, materialele trebuie selectate avand in vedere posibila lor
transmutare, precum si activarea lor redusa. Acest criteriu de selectie limiteaza masiv
numarul de elemente acceptabile intr-un reactor de fuziune. Particularitatile acestora,
precum si conditiile specifice la care trebuie sa reziste fac necesara proiectarea si
realizarea unor aliaje sau compozite care sa imbine cat mai favorabil proprietatile
diferite ale materialelor constituiente, fie la nivel de bulk (in volum) fie la nivel de
suprafata. Componentele care sustin primul perete se vor afla si sub efectul unor
gradienti mari de temperatura, necesitand o buna compatibilitate intre valorile
coeficientilor de dilatare termica.
Cea mai intensa interactiune a plasmei cu peretii incintei are loc la nivelul
divertorului, unde sunt presupuse fluxuri de caldura de ordinul a 10-20 MW/m2 si
iradieri cu neutroni de circa 10 dpa (displacements per atom). Prin urmare aici este
nevoie de un material refractar cu conductibilitate termica buna si o rezistenta la
eroziunea fizica (prin „sputtering”). In urma analizelor pro si contra pentru optiuni
incluzand materiale cu Z mic (C, Be) si elemente cu Z mare (W, Mo), atat pentru
ITER cat si pentru DEMO ca optiune de baza a fost selectat W.
Iradierea cu particule energetice cum sunt neutronii produce defecte in
microstructura materialelor, iar acestea conduc la modificarea proprietatilor
materialelor. In functie de doza, sunt afectate in primul rand temperatura de tranzitie
de la ductil la casant, asa numita DBTT (ductile to britle tranzition temperature), si
subsecvent toate proprietatile mecanice ale materialului. Un fapt convenabil pentru
materialele iradiate cu neutroni este acela ca daca iradierea are loc la o temperatura
suficient de inalta sau daca materialul este supus ulterior iradierii unui tratament
termic, materialul revine la starea normala, se reface. Astfel se poate defini o limita
inferioara a ferestrei temperaturii de functionare a unui material. Un alt efect nedorit
Magdalena GALATANU
5
al iradierii cu neutroni, care afecteaza grav materiale ca W este cel al producerii si
acumularii de gaze precum H si He in urma reactiilor nucleare de transmutare.
Fluxuri mari de electroni, ioni si radiatii electromagnetice produc incalzirea
rapida a materialelor care compun PFC si chiar mentinerea unui material solid la
temperaturi inalte o perioada indelungata poate avea consecinte nefaste asupra
microstructurii si a proprietatilor lui fizice. Incalzirea unui metal face ca tensiunile
acumulate in interior (de pilda prin prelucrare la rece, socuri termice, iradiere) sa fie
mai bine acomodate de microstructura intr-un proces complex de revenire (recovery).
Daca temperatura este mai mare, graunti noi nucleaza si apoi cresc pana cand apare o
noua microstructura (in general cu graunti mici, fara tensiuni acumulate. Fenomenul
este cunoscut sub numele de recristalizare. La temperaturi si mai mari, unii dintre noii
graunti vor creste in detrimentul celorlalti pana va aparea o noua structura cu graunti
mari si granite de graunti pronuntate (grain boundary coarsening). Fiind de esenta
termodinamica, procesul de recristalizare se declanseaza de la o anumita temperatura
in sus si rata cu care se manifesta este direct dependenta de temperatura la care se afla
materialul. Un alt efect nedorit al functionarii indelungate la temperaturi inalte si care
afecteaza aliajele, este dat de formarea de precipitate prin iesirea unor elemente ale
solutiei solide din graunti. Aceste fenomene stabilesc limita superioara a ferestrei
temperaturii de functionare a unui material.
Prin urmare, temperatura de la care materialul isi revine, impreuna cu
temperatura de recristalizare definesc fereastra de temperatura in care pot fi utilizate
materialele [8]. Se pune astfel problema daca W poate fi “imbunatatit” sau inlocuit
macar in parte cu aliaje sau compozite. Potentiale solutii sunt investigate in capitolul
3 si 4 din studiul prezent.
Materialele “armurii” PFC trebuie sa poata prelua fluxul de caldura cat mai
rapid si sa-l transfere sistemului de racire in asa fel incat sa nu fie afectate de
recristalizare si in acelasi timp sa nu supuna materialele structurale unor temperaturi
superioare celei de inmuiere. Din aceste considerente rezulta ca si imbinarea armurii
cu materialele structurale constituie o problema serioasa pentru reactoarele de fuziune,
materialele de interfata fiind abordate si in studiul de fata in capitolul 5.
Aceasta scurta prezentare a problemelor cu care este confruntata cercetarea
privind materialele destinate utilizarii intr-un reactor de fuziune permite o definire a
tematicii studiului de prezent, care este focalizat pe zona materialelor expuse
fluxurilor mari de caldura si a interfetelor dintre acestea.
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
6
3. SiC, un material ceramic cu potential ridicat pentru aplicatii in
reactoare de fuziune
a. De ce este considerat SiC un material bun pentru
fuziune
In general, materialele ceramice reprezintă o alternativa moderna pentru
realizarea de diferite componente destinate utilizării in medii extreme, corozive, la
temperaturi înalte sau in câmpuri de radiații precum sunt, cel putin la nivel principial,
si conditiile intalnite intr-un reactor de fuziune nucleara. Materialele ceramice cele
mai adecvate pentru aplicatii in fuziune raman carburile, cu mentiunea ca si metalele
din componenta lor trebuie sa indeplineasca criteriul de activare redusa. In acest
context un material ceramic interesant este carbura de siliciu, SiC. Aceasta si diferite
materiale compozite bazate pe carbura de siliciu sunt adecvate pentru industria
nucleara, datorita stabilității lor structurale in cazul iradierilor intense [9-11] si a
rezistentei lor la coroziune. Pentru cazul particular al reactoarelor de fuziune exista
mai multe aplicatii posibile, una dintre cele mai importante fiind de material structural.
O a doua aplicatie posibila este cea de cofrag/canal de ghidaj (FIC – flow insert
channels) pentru curgerea eutecticului LiPb topit in cazul unui blanket realizat pe
conceptul de racire cu plumb. Proprietatile necesare pentru aceste aplicatii sunt in
parte diferite, in special in ceea ce priveste conductibilitatea termica, care pentru
aplicatii structurale trebuie sa fie mare in timp ce pentru aplicatii de tip FIC trebuie sa
fie cat mai redusa. In cadrul studiului prezent, principala aplicatie avuta in vedere este
cea de material structural.
Pentru aplicatii structurale sunt necesare doua proprietati importante, o
rezistenta mecanica crescuta si o conductibilitate termica buna. Rezistenta mecanica
se poate obtine prin insertia unor fibre, din SiC, C sau metalice. Compozitele rezultate
au proprietati mecanice promitatoare, dar metodele clasice de producere conduc la
densitati scazute in materialul care constituie matricea, cu efecte detrimentale in ceea
ce priveste retentia de T si conductibilitatea termica. In aceasta situatie, o alternativa
ar fi nano-structurarea matricei, care ar putea constitui in primul rand o solutie
eficienta de imbunatatire a rezistentei la iradiere. Aceasta se poate realiza prin
procedee de sinterizare asistata de curent electric, in care timpul de mentinere la
temperaturi mari este consistent redus. Mai mult, astfel de procedee permit si o
descrestere a temperaturii de lucru, ceea ce permite in principiu si mentinerea calitatii
fibrelor.
In acest studiu demonstram ca sinterizarea asistata de camp electric si presiune
a nanoparticulelor de SiC este o solutie viabila, capabila sa elimine problemele
generate in cazul aplicarii procedeelor clasice de preparare. Avand in vedere faptul ca
un efect detrimental al nano-structurarii este in mod firesc o descrestere a
conductibilitatii termice (datorita imprastierii electronilor si fononilor pe un numar
crescut de interfete) vom arata de asemenea ca este posibila realizarea de materiale
Magdalena GALATANU
7
SiC nanostructurate cu conductibilitati mari sau macar suficiente pentru a fi utilizate
ca materiale structurale (minim 20 W/m/K la temperatura de 1000 ºC).
b. Nano-structurarea SiC si ajustarea proprietatilor
termice prin dispersii metalice.
Drept prim pas in aceasta abordare a problemei ne-am propus sa realizam
sinteza unor materiale ceramice SiC utilizand pulberi nanometrice din SiC si folosind
avantajele oferite de sinterizarea asistata de camp electric, SPS. SiC, are in general
proprietati mecanice inferioare metalelor, principala deficienta fiind rezultatul unei
ductibilitati reduse, pe care incercam sa o compensam utilizand dispersii metalice. In
acest caz o oarecare ductilizare se realizeaza prin blocarea la nivel intergranular a
dislocatiilor. Evident, in acest scop trebuie alese elemente cu temperaturi ridicate de
topire, un candidat favorit fiind W care are de asemenea o temperatura de sinterizare
ridicata (1800-2000 °C) si un coeficient termic de expansiune (4.5×10-6 K-1 ) nu foarte
diferit de cel al carburii de siliciu (3.3×10-6 K-1 ). Prin urmare, primele experimente au
fost dedicate realizarii de materiale SiC nanostructurate, cu si fara dispersii de W.
Pentru a putea intelege rolul morfologiei in stabilirea proprietatilor termice a
materialelor create au fost utilizate atat pulberi nanometrice de W cu dimensiuni medii
ale particulelor (APS) de 70 nm cat si pulberi micrometrice de W, cu dimensiuni ale
particulelor de cativa microni. Pentru SiC a fost aleasa in acest prim pas o pulbere
nanometrica cu APS 20 nm. Pulberile au fost amestecate mecanic intr-o cutie cu
manusi in atmosfera protectiva de Ar, cu 20% procent masic de pulbere nanometrica
de wolfram (APS 70 nm) si in acelasi procent masic, cu pulbere micrometrica de W
(APS 1 m). Pulberile amestecate, au fost incapsulate in matrite de grafit si sinterizate
la SPS cu un program ce atinge o temperatura maxima de 1850 °C in timp ce se aplica
o forta uniaxiala crescatoare cu temperatura echivalenta cu presiunea exercitata
incepand de la 8 MPa pana la 100 MPa. Un proces similar a fost aplicat si pulberei de
carbura de siliciu simpla, de 20 nm, folosita ca material de referinta.
Asumand regula amestecurilor pentru materialele compozite W-SiC precum si
lipsa reactiilor dintre W si SiC in timpul sinterizarii, pentru matricea de SiC s-a putut
calcula o densitate variind intre 95 % (pentru probele cu dispersii micrometrice) si
98 % (pentru cele cu dispersii nanometrice) din valoarea densitatii teoretice. Aceste
valori sunt surprinzator de mari, daca tinem seama de temperatura relativ joasa si de
timpul scurt de sinterizare (in general valorile raportate in literatura sunt in jur de
90 %). Pentru proba fara dispersii, valoarea obtinuta este de 86 % din densitatea
teoretica.
Analizele efectuate prin difractie de raze X, microscopie electronica de baleiaj
si tomografie de raze X au demonstrat ca materialele produse au o structura
nanometrica spre deosebire de cazul materialelor obtinute prin metode clasice, de
pilda prin presare la cald [22].
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
8
Analiza morfologica facuta cu ajutoruil microscopiei electronice de baleiaj ne
permite sa observam omogenitatea probelor si porozitatea redusa. In figura 4 este
prezentata imaginea SEM a probei cu dispersii de W micrometic, unde se poate
observa cum grauntii de SiC acopera grauntii de W, confirmand faptul ca aceste
dispersii joaca un rol activ in procesul de sinterizare al compozitelor W-SiC.
Figura 4. Imagine obtinuta prin SEM pentru o proba de SiC nanostructurata, continand
dispersii de W micrometric. Se pot observa acoperiri ale grauntilor de W cu SiC, sustinand
ideea ca W actioneaza ca un stimulator de sinterizare pentru SiC.
Pentru a putea analiza cat de bine este realizata dispersia particulelor de W in
matricea de SiC putem a fost utilizata tehnica de detectie a electronilor retro-
imprastiati. In acest caz semnalul difera in functie de Z elementelor componente.
Analiza acestor imagini confirma distributia uniforma a dispersiilor de W, cel putin la
nivel de suprafata. Pentru o evaluare mai buna a morfologiei probelor la nivelul
intregului volum, a fost folosita analiza prin microtomografie computerizata de raze
X1. Cu ajutorul analizei grafice in volum, s-a estimat ca o parte de aproximativ 4%
dispersii micrometrice de W se regaseste in proba cu dispersii de W micrometrice,
valoare cae corespunde intregului volum de W utilizat in proba, confirmand totodata
si dispersia omogena in volum a W. In cazul probei cu dispersii nanometrice de W s-
a putut identifica o fractie volumetrica a W in proba de 0.5% ceea ce inseamna cam
1/8 din totalul de pulbere nanometrica de W existent in proba. Evident restul sau mai
bine spus marea majoritate a W, este dispersat la o scala sub rezolutia de analiza a
echipamentului. Aceasta inseamna ca dispersia este intr-adevar omogena in volum,
confirmand rezultatele obtinute pe suprafata analizata prin SEM.
Analiza proprietatilor termice pentru probele nano-structurate SiC si
compozitele SiC cu dispersii nanometrice si micrometrice de W arata ca desi valorile
conductibilitatii termice sunt mici in cazul unei probe nanostructurate de SiC, prezenta
1 Experimentul de microtomografie cu raze X au fost realizate in INFLPR utilizand o instalatie
dezvoltata de grupul dl. dr. Ion Tiseanu [23].
Magdalena GALATANU
9
dispersiilor metalice produce o crestere a acestora chiar cu 300% in cazul utilizarii
unor dispesii de W nanometrice. Este interesant de remarcat faptul ca proba cu
dispersii nanometrice de W prezinta o difuzivitate mai buna decat cea cu dispersii
micrometrice de W. Acest fapt este la prima vedere contra-intuitiv, deoarece ne-am
astepta ca prin graunti mai mari de W sa se realizeze o propagare mai rapida a fluxului
termic. Contributia mica in volum a W face insa ca rolul acestuia in difuzivitatea
termica sa fie mic comparativ cu cel al SiC, in mod cert neputand fi generata o
contiguitate a transportului termic prin W.
Figura 10. Dependenta de temperatura a conductibilitatii termice a SiC nanostructurat si a
compozitelor cu matrice de SiC nanostructurat si dispersii de W nanometrice si micrometrice.
Explicatia, cel putin la nivel fenomenologic trebuie cautata in fundamentele
proprietatilor termodinamice din materialul compozit. Putem presupune astfel ca
echilibrul termic macroscopic include de fapt dezechilibre termice intre grauntii mai
mari de W care fiind in contact cu multi graunti nanometrici de SiC nu pot ceda
caldura acumulata acestora in aceeasi masura in care o acumuleaza.
Rezultatul principal al acestor investigatii rezida in cresterea masiva a
conductibilitatii termice a probei de SiC cu dispersii nanometrice de W. In pofida
mentinerii unei matrice nano-structurate, in acest caz conductibilitatea termica creste
de cel putin 2-2.5 ori introducand numai un volum mic de W. Prin urmare introducerea
de dispersii nanometrice din W se dovedeste o solutie eficienta in cresterea
conductibilitatii termice si un pas esential pentru luarea in considerare a SiC drept
material structural intr-un reactor de fuziune.
In acest sens, este important sa verificam si posibilitatea alipirii/conectarii
acestuia cu materialele de armura, de pilda W. O astfel de jonctiune trebuie sa asigure
pe langa o rezistenta mecanica acceptabila si un bun transfer termic. Cele mai bune
rezultate au fost obtinute prin utilizarea unui strat tampon de pulbere de V. In timpul
procesului de sinterizare la temperaturi de ordinul 1800-1850 ºC, V este aproape fluid
si difuzeaza puternic in matricea din carbura de siliciu, crescand astfel aderenta.
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
10
Jonctiunea W-V este in general buna [17, 24, 25] desi exista raportari in literatura
privind posibila aparitie a unui efect Kirkendall [26].
Figura 12. Alipirea dintre materialul de armura (W) si compozitul SiC nanostructurat utilizand
un strat tampon de pulbere de V, reliefand “radacinile” pe care le creaza V in SiC.
In figura 12 este prezentata morfologia unei jonctiuni W-V-SiC. Este
remarcabila formarea unor prelungiri ale stratului de V in matricea de SiC sub forma
unor „radacini”. O comparatie privind evolutia conductibilitatii termice pentru acelasi
compozit cu matrice nano-structurata din SiC si dispersii nanometrice de W lipit de o
folie de W (armura) direct si prin utilizarea unui strat tampon de V arata ca rezistenta
termica de contact2 este diminuata in cazul introducerii stratului tampon de V, in
pofida faptului ca V are o conductibilitate termica mult scazuta (~20 W/m/K)
comparativ cu W (~170 W/m/K). Pentru aceste masuratori, pulsul laser a fost aplicat
in ambele cazuri pe partea cu W a probelor lipite.
Pentru a creste si mai mult conductibilitatea se pot urma diferite strategii. Una
dintre ele este evident de a creste continutul de W [12], dar acest fapt produce in
acelasi timp si o crestere a densitatii si implicit reduce avantajul de material mai usor
pe care il are SiC. Alternativ se poate incerca imbunatatirea matricei, fara insa a
renunta la nanostructurarea dorita pentru a imbunatati comportarea la iradiere. In acest
sens poate fi crescuta temperatura sau/si timpul de sinterizare. Aceasta ultima varianta
trebuie insa optimizata pentru a evita cresterea necontrolata a grauntilor de SiC. De
asemenea, nu trebuie uitat faptul ca o cerinta importanta pentru aplicatia in reactorul
DEMO este sa se mentina un grad de porozitate cat mai mic. Avand in vedere acestea,
in continuare au fost investigate posibilitatile de optimizare ale matricii SiC ajustand
pe de o parte parametrii de proces iar pe de alta parte optimizand morfologia.
2 Datorita morfologiei complicate a “radacinilor” create de V in matricea de SiC, o analiza a
conductibilitatii termice intr-un model cu mai multe straturi si determinarea cantitativa a
rezistentei termice de contact este imposibila.
Magdalena GALATANU
11
c. Optimizarea morfologiei matricei de SiC
Pentru a intelege mai bine mecanismul de densificare in SiC si pentru a putea
stabili un compromis intre pastrarea naturii nanostructurate a materialului si cresterea
conductibilitatii termice a fost investigata sinterizarea a diferite combinatii de pulberi
de SiC nanometrice cu diferite marimi de graunti (APS=20 nm, desemnate prin n1 si
APS=40 nm, desemnate prin n2) pulberi micrometrice (APS=1 m). Au fost astfel
realizate combinatii de procente masice 4:1, 3:2, 1;1, 2:3, 1:4 intre pulberi
nanometrice si micrometrice precum si probe martor realizate din pulberi simple.
Toate aceste probe au fost procesate prin SPS, utilizand un ciclu similar cu cel deja
folosit, dar crescand temperatura maxima la 2100 °C.
Densitatea masurata prin metoda Arhimede pentru probele obtinute prin SPS,
indiferent de marimea grauntilor de la care s-a pornit, este in general mare, valorile
fiind net superioare densitatilor obtinute prin piroliza [16]. Probele care contin pulberi
nanometrice sunt in mod sistematic mai dense. De asemenea, utilizarea unor pulberi
nanometrice cu APS mai mic conduce la densitati corespunzatoare mai mari pentru
toate probele continand amestecuri de pulberi micro si nanometrice, cu continut
majoritar nanometric. In aceste cazuri, densitatea materialului este apropiata de
densitatea teoretica (chiar peste 99% in cazul combinatiilor cu pulberi cu APS 20 nm).
Figura 15. Ilustrarea trendului densitatilor in functie de compozitie.
Liniile orizontale reprezinta valoarea densitatii teoretice a SiC.
Corespondenta dintre graficul obtinut pentru pulberi cu APS 20 nm (stanga) si
cel obtinut pentru compozitiile similare cu pulberi APS 40 nm (dreapta) este
pregnanta. Este important de observat ca in ambele cazuri trendul nu este monoton
descrescator. Se pot astfel distinge doua maxime in fiecare grafic. In mod surprinzator,
in cazul unor proportii egale de pulbere micro si nanometrica (1:1) se obtin probe cu
o densitate mai scazuta. Comportarea densitatilor in functie de concentratie, asa cum
este ilustrata in figura 15, sugereaza existenta unor compozitii favorabile atat la
concentratii mari de pulberi nanometrice cat si la aproximativ 40% pulberi
nanometrice versus 60% pulberi micrometrice. Maximul din zona de concentratii
majoritare de pulberi micrometrice poate fi explicat prin considerente privind factorul
de umplere volumic. In contrast, existenta unui maxim in zona de concentratii
majoritare de pulberi nanometrice nu mai poate fi explicata prin considerente similare.
De asemenea, minimul densitatii de la compozitia 1:1 este inexplicabil prin
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
12
aranjamentul geometric al grauntilor. Pentru intelegerea acestei evolutii a densitatii
este necesar sa intelegem in primul rand mecanismul de sinterizare al SiC. Analizand
imaginile de microsopie electronica ale probelor indica prezenta unor clusteri de
particule nanonometrice sau micrometrice puternic lipite prin sinterizare care
sugereaza ca mecanismul de sinterizare este unul de tip nucleatie combinand alipirile
succesive cu cresterile de graunti, pornind de la primele particule alipite si adunand
material in detrimetul vecinatatii. Se poate explica astfel descresterea densitatii pe
masura ce granulatia pulberilor initiale creste. Morfologia probelor sugereaza
posibilitatea ca grauntii micrometrici de SiC sa aiba un rol de activator de sinterizare,
similar cu grauntii de W. Pentru concentratii mari de pulberi micrometrice este evident
ca acesti graunti micrometrici sunt in cea mai mare parte in contact direct unii cu altii
iar grauntii nanometrici umplu cu precadere golurile dintre cei micrometrici. Pe
masura ce concentratia de pulberi nanometrice creste, considerentele legate de
factorul de umplere sunt evident valabile si prin urmare densitatea creste. Acest lucru
se va intampla pana cand este atins raportul volumic care asigura umplerea completa
a spatiului total disponibil intre grauntii micrometrici. Peste aceasta valoare de
concentratii, grauntii micrometrici vor incepe sa fie separati de graunti nanometrici.
Cum grauntii micrometrici actioneaza ca centre de sinterizare, in jurul lor sinterizarea
va fi mai buna si prin urmare se vor obtine aglomerari dense de pulberi nanometrice,
neexistand destula pulbere nanometrica libera pentru a umple golurile dintre aceste
formatiuni. Prin urmare vor rezulta o serie de goluri (pori) care vor conduce la
scaderea densitatii. Pe masura ce concentratia de pulberi nanometrice creste in
continuare (si in acelasi timp scade numarul de graunti micrometrici cu aglomerari de
graunti nanometrici in jurul lor) se va atinge un nou raport optim si o densitate maxima.
In final, dupa aceasta valoare, densitatea va scadea din nou, de data aceasta pentru ca
in acelasi timp se reduce masiv numarul de centre de activare. Acest scenariul
fenomenologic, este capabil sa explice evolutia densitatilor in functie de concentratia
de pulberi micrometrice si este un rezultat al procesului de sinterizarii asistata de camp
electric SPS [27-29].
Figura 25. Imagine SEM (electroni secundari) pentru o proba realizata din fibre scurte
micrometrice de SIC si pulberi nanometrice (20 nm) de SiC.
Magdalena GALATANU
13
Pentru a putea demonstra acest fenomen am realizat o serie de probe in aceleasi
conditii de proces dar inlocuind grauntii micrometrici de SiC cu fibre scurte (whiskers)
din acelasi material, avand dimensiuni de 18 micrometri drept lungime si diametre de
1.5 micronmetri. Datorita formei specifice si aranjarii imperfecte in matrita volumul
de goluri dintre aceste fibre este mai mare decat in cazul grauntilor aproape sferici.
Prin urmare in cazul in care raportul fibre graunti nanometrici este de 4:1 ne asteptam
ca volumul de graunti nanometrici sa nu fie suficient pentru a umple aceste goluri,
rezultand o porozitate mult mai mare. In figura 25 este prezentata morfologia acestei
probe. Rezultatul este spectaculos, se poate observa clar cum particulele nanometrice
sunt comasate pe fibre in timpul sinterizarii, generand o structura poroasa remarcabila.
Evident, in cazul in care concentratia de pulberi nanometrice este mai mare, de
exemplu la un raport 1:1, golurile dintre fibre sunt umplute.
Pentru a intelege mai bine structura probelor in urma sinterizarii, si pentru a
verifica influenta temperaturii din timpul sinterizarii asupra dimensiunilor de graunti,
probele au fost analizate si prin difractie de raze X. Au fost comparate dimensiunile
de cristalite dintre pulberile de dinaintea sinterizarii cu probele sinterizate si a putut fi
confirmata prezervarea nanostructurarii si penbtru probele sinterizate la 2100 °C.
Un ultim factor important pentru optimizarea matricii de carbura de siliciu este
legat de proprietatile termofizice ale materialului. Tocmai pentru a creste valoarea
conductibilitatii a fost crescuta temperatura de sinterizare pana la 2100 °C. Am vazut
ca acest procedeu nu afecteaza natura nano-structurata a materialului. Rolul
determinant al temperaturii de sinterizare asupra conductibilitatii termice este
prezentata in figura 27, in timp ce sinterizarea la aceeasi temperatura a pulberilor cu
granulatii diferite nu produce diferente majore in comportarea conductibilitatii
termice.
Figura 27. Conductibilitatea termica a probelor nanostructurate de SiC realizate la diferite
temperaturi de sinterizare pornind cu pulberi nanometrice de 20 nm.
Caldura specifica a probelor cu diferite granulatii este practic aceeasi,
comportarea conductibilitatii termice fiind determinata preponderent de difuzivitatea
termica. Pentru a analiza si intelege transportul termic in probele nanostructurate
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
14
produse cu diferite combinatii de pulberi nanometrice si micrometrice, este mai
convenabil sa analizam valorile difuzivitatii termice. Motivul principal este dat de
faptul ca difuzivitatea termica nu depinde explicit de densitatea materialului, a carei
evolutie in functie de compozitie a fost deja analizata.
Figura 31. Difuzivitatile termice obtinute la temperaturile semnificative in definirea ferestrei
de operare a materialului pentru probele realizate prin combinarea pulberilor nanometrice si
micrometrice de SiC. Liniile din figura au rol doar de ghidare vizuala.
Pentru a putea avea o imagine globala asupra proprietatilor termice ale probelor
cu diferitele compozitii ne vom concentra asupra valorilor difuzivitatii termice
obtinute la temperatura de 100 °C si 900 °C. Aceste temperaturi definesc in linii mari
limitele ferestrei temperaturilor de operare pentru acest material si prin urmare au o
relevanta practica. Figura 31 insumeaza astfel rezultatele caracteristice pentru probele
realizate prin sinterizare la 2100 °C utilizand diferite combinatii de pulberi
nanometrice si micrometrice. Aceasta comportare a fost explicata prin faptul ca
iimprasierea purtatorilor de caldura pe interfetele dintre grauntii micrometrici si cei
nanometrici constituie mecanismul principal de limitare al transportului termic,
rezultatul fiind din nou o consecinta a mecanismului de sinterizare prin SPS. Se obtine
astfel o situatie optima pentru 25% particule micrometrice.
Avand in vedere mecanismul de formare al probelor si cel de transport termic,
pe baza datelor prezente rezulta ca o situatie optima din punctul de vedere al reducerii
porozitatii (respectiv de crestere a densitatii) si de asigurare a unei conductibilitati
termice ridicate este realizata fie pentru concentratii de pulberi nanometrice de ordinul
80%, fie pentru concentratii de pulberi nanometrice de ordinul 45%. Aceste valori
depind in mod evident de dimensiunile pulberilor. Pe de alta parte, trebuie precizat ca
valorile conductibilitatii termice la temperaturi inalte (de exemplu 1000 ºC) depasesc
confortabil cerinta minimala de 20 W/m/K.
Magdalena GALATANU
15
4. W, un material refractar de baza pentru fuziune
a. Limite si provocari pentru ingineria materialelor cu W
In mod particular, W fiind metalul cu cea mai ridicata temperatura de topire si
avand un grad de activare redus constituie materialul preferat pentru armura
reactorului si in prezent optiunea principala pentru realizarea divertorului. In cazul
reactorului ITER si cel mai probabil si in cazul DEMO, armura divertorului va fi
realizata sub forma unui monobloc din W [37-39]. Din pacate W are la randul sau si
o serie de dezavantaje, a caror depasire constituie subiectul a numeroase investigatii
experimentale, atat in cadrul consortiului EUROfusion cat si la nivel mondial. In
principal este vorba de asa numita temperatura de tranzitie de la ductil la casant
(DBTT), in cazul W este in jurul valorii de 300-400 ºC [40]. Al doilea dezavantaj
major al W este dat de coeficientul sau de expansiune termica (CTE) de valoare mica
(4.5×10-6 K-1 ) care la imbinarea cu elementele structurale, realizate cel mai probabil
din oteluri sau aliaje de Cu (CTE de ordinul 10÷17×10-6 K-1 pentru oteluri
si16÷18×10-6 K-1 pentru aliaje de Cu) este de natura sa genereze tensiuni mari la
interfata care in urma unor ciclari termice repetate conduc la oboseala termica si
deteriorare imbinarilor. Un al treilea dezavantaj major al W este faptul ca se poate
oxida foarte usor, cu consecinte dramatice in cazul unei defectiuni survenite in
sistemul de racire cu apa. Pentru a reduce sau limita fenomenul sunt investigate asa-
numitele aliaje de W cu auto-pasivare [41].
Atat avantajele W (temperatura inalta de topire, rata redusa de sputtering) cat si
dezavantajele acestuia, enumerate anterior, genereaza si o serie de dezavantaje
practice. Astfel temperatura de topire inalta si gradul mare de oxidare fac ca obtinerea
materialelor din W sa fie dificila, necesitand procesare in vid sau atmosfera inerta si
la temperaturi mari. Ductibilitatea redusa si duritatea fac imposibila prelucrarea
mecanica uzuala. Gradul redus de sputtering fac ca procesele de depunere sa aiba
eficienta redusa si sa necesite timpi indelungati. De asemenea, procesele uzuale de
alipire (de tip sudare sau brazare) sunt mult mai dificil de realizat, necesitand
materiale, tehnici si conditii de lucru speciale.
Prin urmare realizarea de componente din W a necesitat dezvoltarea unor
tehnologii speciale, nu intotdeauna eficiente din punctul de vedere al costurilor. In
momentul de fata, optiunea de baza [39] pentru divertor este cea de tip monobloc de
W, aceste monoblocuri fiind realizate prin PIM (injectare de pulbere in matrite) si HIP
(presare izostatica la cald) la temperaturi inalte. Pentru ITER cel putin, imbinarea cu
elementele schimbatorului de caldura se face prin HRP (presare radiala la cald) [38].
In studiul de fata privind W, ne-am concentrat pe posibilitatea imbunatirii
procesului de fabricare a materialelor pe baza de W, pentru a diminua macar in parte
dezavantajele W pur si pentru a investiga noi metode de procesare si producere de
componente capabile sa rezite unor fluxuri mari de caldura.
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
16
Astfel am avut in vedere in primul rand posibilitatea realizarii de materiale din
W utilizand sinterizarea asistata de camp electric (SPS), pe de o parte prin utilizarea
unor pulberi cu diferite granulatii si pe de alta parte prin includerea in matricea de W
a unor dispersii metalice si ceramice.
In al doilea rand, a fost utilizata procesarea SPS pentru realizarea de compozite
stratificate din folii din W si diferite alte metale, aceste compozite avand proprietati
mecanice superioare W pur, acestea putand fi utilizate chiar ca materiale structurale
in constructia divertorului DEMO [26].
b. Compozite cu W ca solutie alternativa pentru armura
reactorului
Pulberea de W poate fi consolidata prin metode de sinterizare variate.
Sinterizarea clasica necesita temperaturi foarte mari (peste 2000 °C) si dureaza mult.
Desi se obtin rezultate foarte bune [42, 43], ca si in cazul sinterizarii sub presiune
izostatica (HIP), materialul sinterizat se contracta liber, fiind astfel necesara
prelucrarea mecanica a componentelor pentru a fi aduse la forma finala. Comparativ,
metodele SPS si PPS produc componente foarte aproape de forma finala. In cazul PPS,
datorita descarcarilor electrice de mare intensitate se pot insa produce defecte majore
(fisuri) in volumul materialului, metoda fiind mai eficienta in cazul unor compozite
de W [44], in timp ce prin SPS in cazul W se produc materiale cu densitati mai mici
(uneori chiar sub 90% din densitatea teoretica). O explicatie a acestui fenomen putand
fi legata de o sinterizare rapida a unui „schelet” de particule pe traseele de curgere a
curentului pulsat si care defineste volumul probei inainte de fi sinterizata complet
(adica toate particulele conectate). Pornind de la studiul efectuat in referinta [44], ne-
am propus intr-o prima faza sa vedem daca procesul de sinterizare prin SPS in cazul
W pur poate fi imbunatatit. Ciclul ideal de sinterizare pentru un W dens, prezentat in
figura 32, implica 2 paliere, unul situat in jur de 1200 °C si unul la circa 1800 °C.
Incalzirea pana la primul palier se face lent si include un pas intermediar de presare la
cald, in timp ce incalzirea spre cel de-al doilea palier se face brusc, din nou cu un pas
intermediar de presare la cald. Prin ajustarea iterativa a parametrilor de proces,
sinterizarea SPS permite obtinerea de probe de W cu densitate crescuta peste 90%.
Urmand rezultatele obtinute in investigatiile obtinute pentru SiC, ne asteptam ca
densitatea sa depinda de granulatia pulberilor si pentru un raport de marimi de pulberi
de circa 1:10 sa obtinem densificari crescute pentru fractii volumice de ordinul 1:2
intre pulberi nanometrice si pulberi micrometrice. Din acest motiv, utilizand acelasi
ciclu de sinterizare au fost procesate probe din amestecuri de pulberi de W de 80 m
si aproximativ 1-2 m pe de o parte si pulberi de 1-2 m si pulberi de circa 70 nm
(APS) pe de alta parte. Au fost realizate de asemenea probe numai din pulberi
nanometrice.
Analiza valorilor densitatilor arata cu utilizarea unor amestecuri de pulberi cu
granulatii diferite conduce la o crestere a densificarii materialului. Pentru combinatii
Magdalena GALATANU
17
de graunti nanometrici (70 nm) si micrometrici (1-2 microni) au fost obtimnute
densitati de peste 97% din valoarea teoretica. Desi cresterea densitatii materialului
este importanta, in special in legatura cu posibilitatea acumularii de gaze in W,
performanta materialului in conditii similare cu cele dintr-un reactor de fuziune este
mult mai relevanta. Pentru a putea obtine informatii preliminare privind acest
comportament, in cadrul colaborarii cu INFLPR in proiectul de cercetari
complementare, materialele astfel produse au fost investigate prin expunere la jeturi
dense de plasma [45]. Investigatiile au fost realizate utilizand jeturi dense de plasma
(~1022/m3) in pulsuri, produse in Ar la circa 200 mtorr. Jetul de plasma a fost produs
intr-un tun de plasma coaxial, utilizat la o energie fixa a condensatorului de 2 kJ.
Cantitatea de energie pe suprafata probei a fost estimata la aproximativ 0.043 MJ/m2
pentru un singur puls de plasma. Maximul de densitate al plasmei a fost de
aproximativ 1.6 × 1022/m3, iar maximul temperaturii electronilor a fost estimat la
17 eV. Probele au fost analizate prin microscopie electronica de baleiaj, comparativ,
inainte si dupa expunerea la 1 si la 10 pulsuri. Expunerea probelor, a condus la topirea
suprafetelor, aparitia unor crapaturi si formarea unor picaturi de dimensiuni
nanometrice si micrometrice pe zone largi de pe suprafetele expuse, rezultate asteptate
si in concordanta cu cele din literatura [46-48]. Pe baza rezultatelor prezente se poate
concluziona ca materiale produse prin SPS din pulberi de W cu graunti de dimensiuni
mici au o performanta usor imbunatatita fata de cele realizate din pulberi de ordinul
zecilor de microni. In cazul acestora, stresul termic este responsabil de aparitia unor
crapaturi largi si chiar posibile desprinderi de material. Pe de alta parte, nici realizarea
unui material exclusiv din pulberi cu dimensiuni sub 100 nanometri nu constituie o
solutie viabila, efectele expunerii la plasma fiind similare insa la o scala diferita.
Prin urmare solutia imbunatatirii W trebuie cautata in consolidarea materialului
prin aliere, dispersii (particule sau fibre cu orientare aleatorie) sau compozite cu
matrice structurata (fibre orientate sau sisteme stratificate). Proprietatile care
guverneaza comportarea mecanica a W sunt legate de rezistenta/ductibilitatea la
intindere, adica alungirea sa pana la fracturare, rezistenta la deformare plastica (e.g.
rezistenta la cresterea fisurilor) si temperatura de tranzitie de la ductil la casant. Spre
deosebire de alte materiale cu structura cubica cu volum centrat (bcc), microstructura
W (forma si marimea grauntilor acestuia, textura) au un rol major in determinarea
comportarii la fractura [49-56]. Astfel W prelucrat prin deformare are de fapt 2
tranzitii, una de la casant la delaminare si apoi una de la delaminare la ductil [57].
Imbunatatirea proprietatilor mecanice si termo-mecanice ale W ar putea fi obtinuta
prin reducerea unghiurilor dintre fatetele grauntilor, care se poate realiza pentru o
granulatie ultrafina, obtinuta prin deformare plastica severa (SPD) [58, 59] sau prin
aliere mecanica cu mici procente (circa 1%) de ceramici dure cum sunt carburile, de
exemplu TiC [60, 61]. Pana in prezent rezultatele nu au fost spectaculoase din punctul
de vedere al ductibilizarii W [62-65], producand scaderea temperaturii de tranzitie de
la casant la delaminare dar in acelasi timp crescand temperatura de tranzitie de la
delaminare la ductil la valori peste 1100 °C [57]. O situatie similara se regaseste si in
cazul utilizarii ca dispersie a unor metale cu temperaturi de topire joase, cum este de
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
18
pilda potasiu (K) [66]. Trebuie mentionat aici ca dopajul cu K a fost utilizat cu succes
pentru imbunatatirea W din filamentele becurilor cu incandescenta.
O alta metoda ar putea fi alierea, dar sunt putine elemente care sa aiba o
solubilitate acceptabila in W, iar aplicarea criteriului de activare redusa pentru
elementele de aliere restrange si mai mult posibilitatile. Singurul succes remarcabil in
ductibilizarea W a fost oferit pana acum de alierea cu Re (la peste 7%), Re reducand
tensiunea Peierl si facilitand astfel deplasarea dislocatiilor [67, 68]. Solutia nu este
insa viabila pentru ca Re nu are activare redusa iar in urma iradierii cu neutroni W
este transmutat in Re si cresterea concentratiei de Re poate genera o faza casanta [69].
Incercarile de a face aliaje de W cu Ta sau V au evidentiat lipsa unei imbunatatiri a
ductibilitatii W [69].
O ultima varianta care poate fi explorata este aceea data de realizarea unor
compozite cu W. Compozitele pot fi cu particule, fibre scurte cu dispunere aleatorie
sau fibre lungi cu dispunere ordonata si in fine cu structuri planare, compozite
stratificate, asa numitele W-laminate. Avand in vedere necesitatea indiscutabila de a
avea un W imbunatatit in cadrul reactoarelor energetice de fuziune (DEMO si post-
DEMO), la ora actuala exista un efort concentrat in cadrul consortiului EUROfusion
pentru gasirea si definirea unor rute tehnologice pentru producerea a noi materiale
compozite cu continut mare de W. Se lucreaza intens la aliaje de W cu Cr si oxizi de
Y [62, 64, 65] cu rezultate promitatoare din punctul de vedere al comportarii la oxidare.
Pe de alta parte alierea produce o descrestere consistenta a conductibilitatii termice a
W, facand acest material impropriu pentru utilizarea in componenta divertorului, dar
acceptabil pentru blanket. In acelasi timp, tot in linia compozitelor cu particule
dispersate sunt investigate compozitele W-SiC [12] precum si mai recent W-W2C [70]
si W-ZrC [71]. In cazul compozitelor cu fibre scurte, problema principala este legata
de inter-difuzia care apare chiar in timpul procesarii si continua accelerat in cazul
imbatranirii termice. Interfete mai bune pot fi obtinute la interfatarea fibrelor lungi
[72] dar realizarea unor astfel de compozite pe scala larga industriala este inca un
deziderat [73]. In contrast, compozitele stratificate nu au aceasta problema, procesarea
si caracterizarea acestora fiind abordata de grupul de la KIT si grupul nostru din
INCDFM. In continuare, in aceasta sectiune, sunt prezentate rezultatele obtinute in
testarea compozitelor cu particule, sectiunea urmatoare fiind dedicata compozitelor
stratificate. Pentru compozitele cu particule, in acest studiu interesul nostru este
focalizat asupra unei testari preliminare pentru a putea determina cele mai
promitatoare rute de dezvoltare a acestor materiale.
In acest sens ne intereseaza in primul rand modul in care se sinterizeaza prin
SPS materiale produse din pulberi de metale avand temperaturi de topire mult diferite.
Pentru aceasta au fost utilizate dispersii de Fe, Cr, Re si Ir cu diferite concentratii in
matricea de W. De asemenea au fost sinterizate si compozite W-SiC, insa spre
deosebire de studiul din capitolul anterior, aici SiC este materialul dispersat, cu
concentratii de cel mult 15% volumetric.
Magdalena GALATANU
19
Figura 35. Imagine SEM de electroni secundari pentru proba cu W cu 2% SiC. Sagetile indica
pozitia dispersiilor la granite de graunti.
In figura 35 este prezentata morfologia probei din W cu dispersii de SiC
nanometric cu 2% concentratie volumetrica care arata clar ca particulele dispersate
sunt dispuse in zona de granita dintre grauntii de W putand astfel contribui la
imbunatatirea proprietatilor termo-mecanice. Odata cu cresterea concentratiei
volumetrice a dispesiilor de SiC, datorita inomogenitatilor inerente rezultate in urma
amestecarii apar si aglomerari de SiC care impieteaza asupra proprietatilor mecanice
si de transport termic. Probele produse au fost iradiate cu acceleratorul LINAC din
cadrul INFLPR cu fascicule de elctroni de 6 MeV, in pulsuri de 4 µs cu frcventa de
50 Hz timp de 60 secunde in atmosfera ambianta. Fasciculul de electroni are o fluenta
de 5.7 × 1010 e/cm2 pe puls. Rezultatele iradierii compozitelor W-SiC arata ca
ruguozitatea probelor scade cu cresterea concentratiei de SiC pe de o parte si pe de
alta parte si ca efectul iradierii asupra suprafetelor este diminuat odata cu cresterea
continutului de SiC. Estimarile temperaturilor atinse in timpul iradierii arata ca
temperatura suprfetei expuse creste cu scaderea concentratiei de SiC. Oferind o
posibila explicatie pentru diminuarea efectelor iradierii la cresterea concentratiei de
SiC.
Un alt tip de materiale abordate sunt compozitele cu matrice de W si dispersii
metalice refractare, Re si Ir. Consolidarea prin SPS a W-Re produce materiale cu
densitati mici (poroase) si nu conduce la aliere nici macar la zona contact dintre
graunti. In cazul W-Ir, porozitatea descreste atat ca pondere cat si ca marime a porilor
odata cu cresterea continutului de Ir.
Foarte interesant este faptul ca Ir pare sa umple golurile dintre grauntii de W
intr-un mod sistematic, sugerand aproape un fenome similar cu cel observat in cazul
compozitelor cu SiC si V. Aceasta inseamna ca la temperatura de sinterizare utilizata
Ir este suficient de plastic pentru a „curge” printre grauntii de W, umpland golurile si
generand o matrice. Si aceste probe au fost iradiate cu electroni in conditii similare.
Pentru W-Ir o comportare mai buna este obtinuta la concentratii mai mici de Ir, in
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
20
concordanta cu estimarile temperaturii la suprafata expusa. Prin urmare, utilizarea Re
nu este o solutie viabila, dar de alta parte, compozitele W-Ir merita o investigatie mai
consistenta pentru a intelege modul de formare si a putea optimiza materialul.
Avand in vedere rezultatele obtinute pentru aliajele cu autopasivare, [62-65, 74,
75] au fost realizate amestecuri de pulberi de W si Cr corespunzand unor procente
masice de Cr de ~5%, ~10%, ~15% si respectiv ~20%. Analiza morfologica prin SEM
a probelor obtinute arata indiscutabil ca W si Cr reactioneaza in timpul procesarii,
aparand atat o faza bogata in Cr cat si o faza bogata in W [76]. Acest lucru este
explicabil prin prisma diagramei de faze W-Cr care contine o multitudine de solutii
solide care se separa in cele doua tipuri de faze. In cazul materialelor W-Cr datorita
formarii solutiilor solide, conductibilitatea termica este redusa sub 100 W/m/K, iar
iradierile cu electroni arata o imbunatatire continua a calitatii suprafetei materialelor
dupa iradiere o data cu cresterea continutului de Cr. Aceasta poate fi pusa mai degraba
pe seama protectiei la oxidare pe care o ofera Cr din fazele W-Cr, fiind necorelata cu
valorile estimate ale temperaturii atinse in timpuil iradierii.
Pentru a putea finaliza acest studiu preliminar asupra posibilitatii realizarii de
compozite din W cu dispersii metalice a fost analizata si posibilitatea utilizarii unor
metale cu temperatura de topire inferioara temperaturii de procesare prin SPS. Metalul
ales in acest sens este Fe (temperatura de topire 1535 °C). Pentru a evita topirea
globala a materialului in timpul procesarii au fost preparate si analizate specimene de
W cu concentratii volumetrice sub 5% de Fe. Densitatile relative ale materialelor
produse scad o data cu crestera concentratiei de Fe, explicabil prin faptul ca volumul
Fe topit este mai mare decat al celui solid iar la solidificare acesta se lipeste de grauntii
de W dar nu mai umple complet volumul pe care il ocupase fiind topit. Un fenomen
asemanator se intampla in W dopat cu K. Conductibilitatile termice ale compozitelor
W-Fe sunt reduse, sub 70 W/m/K, dar, interesant, cresc o data cu cresterea
temperaturii. Un ultim punct de interes legat de compozitele W-Fe este faptul ca
acestea pot supravietui ciclarii termice asa cum a fost aratat pentru proba cu 3% Fe in
urma investigatiilor prin calorimetrie la temperaturi inalte3.
c. Compozite multistrat cu W, posibilitatea utilizarii ca
material structural
Pe langa compozitele cu dispersii si cele cu fibre, exista si posibilitatea de a crea
compozite stratificate. Acestea implica imbinarea unor straturi de W cu straturi de alte
materiale intr-un sistem unitar beneficiar al avantajelor oferite de fiecare componenta.
Laminarea multipla „la rece” a W (la circa 400 °C) produce folii cu o structura de
graunti fina si orientata, iar recent s-a demonstrat ca foliile de W cu grosimi sub un
milimetru (ideal cateva zecimi de milimetru) pot fi ductile chiar si la temperatura
3 Masuratorile au fost efectuate la sediul NETZSCH-Gerätebau GmbH in Germania in cadrul
unui stagiu de antrenament cu echipamentele produse de aceasta firma. Multumim pe aceasta
cale sprijinului acordat.
Magdalena GALATANU
21
camerei [77] iar aceasta caracteristica a W in forma de folie poate fi folosita pentru a
dezvolta materiale structurale bazate pe W [78-80]. Incercarea de a transfera aceste
proprietati ale foliilor de W la materiale bulk din W, au rezultat in conceptul denumit
„W-laminate”, adica compozite multistrat alcatuite din folii de W si folii din alt metal
dispuse alternativ. Diferite incercari de obtinere a laminatelor pe baza de W s-au
realizat cu scucces, precum alipirea prin brazare a foliilor de W (de exmplu utilizand
aliaje Cu-Ag) sau alipirea prin difuzie folosindu-se Ti sau Zr ca materiale de interfata
[81]. Urmand aceste rute de obtinere, au fost produse componente masive precum tevi
[82]. Unele deficiente au fost observate le expunerea acestor materiale compozite la
temperaturi inalte [83] sau in timpul iradierii cu neutroni [84] si mai multe solutii care
ar putea imbunatati comportarea W in urma iradierii cu neutroni au fost deja
investigate [85-87]. Acestea acopera procedee clasice de aliere sau preimplantare cu
ioni, iar recent a fost sugerat faptul ca o solutie ar putea fi si utilizarea unor folii din
W dopat cu K [88].
In acest context, lucrarea de fata se concentreaza pe producerea compozite
laminate bazate pe W obtinute prin metoda FAST (field assisted sintering technique,
o alta denumire echivalenta SPS). Avantajul evident a acestui mod de obtinere de
laminate, este faptul ca intreg procesul este foarte rapid si mai ales ca partea de
procesare la temperaturi inalte (in particular aici prin temperaturi inalte intelegem
temperaturi mai mari de 1000-1200 °C, adica temperatura de recristalizare a W)
dureaza doar cateva minute, chiar daca folosim impreuna cu W in compozite materiale
cu puncte inalte de topire precum Ti sau V. Drept consecinta fenomenul de
recristalizare este redus, fapt esential pentru conservarea proprietatilor mecanice bune
ale foliilor de W. In acelasi timp se pot atinge temperaturi apropiate de temperaturile
de topire ale celorlalte metale, facand din procesul de alipire un proces similar
procesului de brazare.
In cazul laminatelor W-Cu, W este mai incalzit decat Cu si la intefata W-Cu ,
caldura se transfera de la W catre Cu. Adaugand efectul suplimentar al descarcarilor
electrice, Cu va incepe sa se topeasca la suprafata si pot aparea fie infiltratii in
defectele de pe suprafeta W, fie micro-bule de Cu topit (datorita tensiunii superficiale)
care pot avea un efect de fragilizare asupra W. In aceste situatii se vor crea tensiuni in
suprafata W cu posibila propagare in interior si producere de fracturi sau chiar
detasari/delaminari de material. Pe de alta parte, in cazul utilizarii unor metale mai
prost conductoare electric decat W (cum sunt de exemplu Fe, Pd, Ti, V) acestea din
urma se vor incalzi mai puternic in comparatie cu W prin efect Joule, atingand in cazul
ideal o temperatura in care devin quasi-fluide, alipirea devenid un proces de brazare.
Primele compozite stratificate realizate prin FAST au fost laminatele W-Cu,
pentru care au fost determinati parametri optimi de proces in functie de grosimea si
numarul foliilor utilizate. In general forta aplicata nu trebuie sa depaseasca valorile
care genereaza o presiune de ~35 MPa, iar temperaturile de procesare se situeaza in
zona de 780-850 °C. Valorile mai joase sunt necesare pentru compozitele cu folii de
Cu mai groase groase si cu un numar mai mare de perechi de folii W-Cu. Trebuie
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
22
precizat ca odata cu descresterea grosimii foliilor de Cu ajustarea parametrilor devine
din ce in ce mai dificila, pentru folii de exemplu de 7 m acest lucru nefiind practic
posibil
Figura 53. Laminat W-Cu realizat din folii de W si Cu de 100 m cu parametrii optimi de
proces (imagine de electroni retro-imprastiati).
In contrast pentru cazul foliilor cu grosimi de 100 m se pot obtine materiale
perfect uniforme si fara deformari, asa cum este ilustrat in figura 53. La o magnificare
crescuta se poate de asemenea observa faptul ca interfata W-Cu este usor zimtata
(serated interface) si nu prezinta discontinuitati, fapt care dovedeste calitatea imbinarii
realizate prin FAST. Aceasta a fost investigata prin masuratori ale conductibilitatii
termice, analizandu-se rezitenta termica de contact. Analiza coeficientului de dilatare
termica masurata in lungul foliilor arata ca la temperaturi de pana la circa 150 °C,
comportarea laminatului respecta regula amestecului direct, ceea ce implica ca
materialul se afla intr-o stare in care atat W cat si Cu se comporta elastic. Odata cu
cresterea temperaturii se trece la o stare in care W continua sa se comporte elestic dar
Cu devine progresiv plastic Drept urmare, valorile expansiunii termice descresc.
Analiza proprietatilor mecanice a fost realizata in colaborare cu grupul de la KIT [89].
Rezultatele obtinute la diferite temperaturi au evidentiat in cazul incercarilor la
tractiune ca probele produse in grupul nostru sunt perfect comparabile cu cele similare
produse prin alipire prin difuziune termica la KIT in ceea ce priveste modulul de
elesticitate, rezistenta la rupere si valoarea limitei de curgere aparenta si usor
superioare in ceea ce priveste alungirea la rupere. Si incercarile la impact (Charpy) in
functie de temperatura au evidentiat valori similare pentru temperatura de tranzitie de
la ductil la casant si pentru energia Charpy (circa 6 J). Pe langza timpul redus de
procesare, un avantaj important al procesarii FAST este scalabilitea spre productie
industriala prin utilizarea unui sistem hibrid care combina incalzirea asistata de camp
electric cu laminarea la cald. Un prototip pentru un astfel de echipament a fost
proiectat si testat in INCDFM la scala de laborator, obtinandu-se astfel de laminate
W-Cu intr-un proces dinamic de roluire.
Magdalena GALATANU
23
Al doilea tip de laminat abordat este W-V. Avand o temperatura de topire mult
mai inalta decat Cu (cu peste 800 °C mai mare), V este un element promitator pentru
cazul unui divertor conceput cu fluid de racire operand la temperaturi inalte. In plus,
avand o rezistivitate electrica mai mare decat W, V se preteaza pentru o alipire prin
FAST apropiata de brazare. In aceasta situatie ne punem intrebarea daca putem
optimiza procesul de imbinare FAST in asa fel incat sa nu depasim temperatura de
recristalizare a W (circa 1200 °C), dar obtinand totusi un material robust. Aceasta s-
ar putea dovedi insa o tinta greu de atins, deoarece investigatii deja realizate [26]
asupra laminatelor W-V procesate prin alipire prin difuziune termica au aratat
prezenta porilor Kirkendall, rezultati in urma deplasarii interfetei inspre metalul cu
coeficient de difuzie mai mare (efectul Kirkendall). In cazul FAST, pentru o
temperatura de circa 1200 °C si o presiune de 40÷45 MPa pentru un laminat W-V
format din 20 de perechi de folii de W de 110 m si V de 127 m, se pot obtine
materiale netensionate, cu straturi uniforme si cu interfete usor zimtate („serated
interface”), ideale din punctul de vedere al imbinarii, calitatea care a fost demonstrata
si prin masuratori de transport termic. Pentru a verifica efectele expunerii la
temperaturi inalte, probele au fost incapsulate in fiole de quartz in vid la o presiune
de 10-6 mbar si incalzite cu o rata de incalzire de aproape 5 °C/min pana la 1000 °C.
Dupa 1000 de ore la aceasta temperatura (in jur de 6 saptamani), probele au fost racite
incet (cu o rata de 5 °C/min) pana la temperatura camerei. In mod surprinzator, nu a
putut fi decelata prezenta unor pori Kirkendall, in contradictie cu rezultatele obtinute
de grupul de la KIT [26]. Pentru a ne convinge daca procesarea prin FAST este
responsabila de aceasta imbunatatire semnificativa o serie de probe realizate in
aceleasi conditii si cu aceleasi materiale prin FAST in INCDFM au fost trimise la KIT
in vederea realizarii tratatamentului termic si a analizei prin microscopie. Desi o
anumita porozitate poate fi decelata in V dupa tratarea termica timp de 1000 ore,
aceasta are o distributie aleatoare in proba, total diferita de cea a probelor produse la
KIT. Mai mult, dupa expunerea la 1000 °C timp de numai 100 ore, in probele produse
prin FAST nu se pot observa deloc pori in timp ce in probele produse la KIT, prin
alipire prin difuziune termica, porii Kirkendall sunt deja clar vizibili. Prin urmare
diferenta de comportament intre cele doua tipuri de probe este astfel validata. Pentru
a exclude posibilitatea unei calitati mai proaste a foliilor de V utilizate la KIT au fost
produse prin FAST in INCDFM si specimene de laminate W-V cu acelasi V utilizat
la KIT. Probele astfel realizate au fost trimise la KIT pentru tratament termic si analiza
iar investigatia este in acest moment in desfasurare.
Al treilea si ultimul tip de laminat abordat in aceasta lucrare este W-Ti. Avand
o temperatura de topire mai inalta decat Cu (cu aproape 600 °C mai mare), si Ti este
un element promitator pentru cazul unui divertor conceput cu fluid de racire operand
la temperaturi inalte. La fel ca si V, Ti are o rezistivitate electrica mai mare decat W
si se preteaza la randul sau pentru o alipire prin FAST apropiata de brazare. In plus Ti
se poate lamina in folii foarte subtiri cu un cost rezonabil ceea ce il face viabil si pentru
procesare de laminate W-Ti la scala industriala. Suplimentar, Ti are si o buna
comportare in cazul iradierii cu neutroni, in acest sens existand diferite studii [90, 91].
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
24
Acestea sunt argumente importante pentru a dezvolta laminate W-Ti. Din nefericire,
expunerea indelungata la temperaturi inalte (1000 de ore la 1000 °C), duce la o
puternica interdifuzie a celor doua metale asa cum s-a putut constata atat in rezultatele
grupului de la KIT [83] obtinute pentru laminate W-Ti alipite prin difuziune termica,
cat si din rezultatele proprii. Aceasta comportare face ca laminatele W-Ti sa nu fie
acceptabile pentru pentru aplicatii care implica expunerea la temperaturi inalte. Avad
in vedere avantajele ipotetice mentionate initial pentru utilizarea foliilor de Ti in
laminatele W-Ti, au fost cautate solutii pentru a inhiba aceasta interdifuzie. O blocare
a interdifuziei W-Ti ar putea fi realizata in principiu prin crearea unei bariere de
difuzie intre foliile de W si Ti, adica utilizarea unui strat protector din alt material.
Aici pot fi avute in vedere doua variante. In prima am putea incerca sa oprim complet
difuzia metalelor, de exemplu utilizand un strat ceramic, dar proprietatile mecanice
proaste ale materialelor ceramice (lipsa ductibilitatii) ar contribui la deteriorarea
proprietatilor mecanice ale compozitului. O a doua varianta ar fi utilizarea unui strat
metalic (generic notat cu M), ales in asa fel incat in urma interdifuziei M-W pe de o
parte si interdifuziei M-Ti pe de alta parte sa genereze o bariera de concentratie, adica
sa conduca la interfata la concentratii de W si Ti situate in zona de separare intre faza
bogata in W si cea bogata in Ti. In urma analizarii posibililor candidati a fost ales Cr,
care formeaza un singur intermetalic cu Ti, TiCr 2 si doar solutii solide cu W. Pentru
a testa conceptul, folosind o tehnica de depunere in radiofrecventa (RF sputtering), au
fost depuse straturi subtiri de circa 100-150 nm de Cr pe ambele fete ale foliilor de W
cu grosimi de 100 m. Foliile de W cu depuneri au fost folosite impreuna cu folii de
Ti cu grosimi de 50 si 100 m pentru a produce laminatele W-Ti prin metoda FAST.
Figura 67. Morfologia unui laminat W-Ti produs prin FAST cu folii de W de 100 m (pe
suprafete a fost depus in prealabil un strat de Cr cu grosime de 100-150 nm) si folii de Ti cu
grosime de 50 m, dupa expunerea timp de 1000 ore la o temperatura de 1000 °C. In insertie
este prezentat un detaliu al interfetei acestui laminat. (imagini de electroni retro-imprastiati).
Asa cum au dovedit investigatiile morfologice prin SEM, stratul de Cr depus a
„supravietuit” procesului de imbinare prin FAST iar in urma unei analize de transport
Magdalena GALATANU
25
termic de tip multistrat efectuata pe aceste probe indica o valoare a rezistentei termice
de contact W-Ti de aproximativ 3×10-6 m2K/W, indicand un contact termic foarte
bun.
In figura 67 este prezentata morfologia unui laminat W-Ti cu interfete de Cr
dupa un tratament termic de 1000 ore la 1000 °C. Poza principala ofera o imagine de
ansamblu a probei aratand faptul ca foliile nu au suferit modificari in urma expunerii
indelungate la temperaturi mari. In insertia figurii este prezentat un detaliu al interfetei
W-Ti la magnificare crescuta. Se poate observa usor ca si dupa tratamentul de
imbatranire termica de 1000 ore interfetele nete sunt conservate si chiar si stratul
depus de Cr poate fi detectat. Evident, ne asteptam in acest caz ca acest strat sa contina
diferite concentratii de W si Ti. Pentru a putea caracteriza fenomenul complex de
interdifuzie W-Cr-Ti care are loc la interfata este necesara realizarea unei analize prin
microscopie electronica de transmisie de inalta rezolutie (HRTEM), impreuna cu
investigatii de spectroscopie de pierdere de energie a electronilor (EELS), in curs.
Concluzionand sectiunea dedicata compozitelor stratificate cu W putem afirma
ca metoda FAST de producere a acestor materiale constituie o solutie eficienta pentru
realizarea laminatelor de W si diverse metale. Rezultatele obtinute pot reintroduce
laminatele W-V si W-Ti in lista materialelor cu potential aplicativ in aplicatii destinate
reactoarelor de fuziune.
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
26
5. Materiale compozite cu matrice de Cu
a. Materiale de interfata in schimbatoare de caldura
In cazul divertorului, armura trebuie sa faca fata chiar in cazul stationar unui
flux de caldura de circa 10 MW/m2, iar in cazul unor evenimente tranzitorii sau
turbulente in plasma, acest flux de caldura poate avea valori si cu un ordin de marime
mai mari. Indiferent de comportarea materialului de armura, caldura absorbita trebuie
preluata mai departe de un sistem de racire, acest lucru realizandu-se printr-un
schimbator de caldura (heat sink) care preia caldura materialului si o transfera unui
fluid de racire. Exista mai multe scenarii avute in vedere pentru racirea divertorului,
grupate in doua concepte, unul implicand temperaturi joase ale fluidului de racire si
unul implicand temperaturi mai inalte ale acestui fluid. Primul caz este cel avut in
vedere si pentru ITER si face apel la racirea cu apa, iar cele de-al doilea caz implica
racirea cu He gazos la temperaturi inalte4.
Pentru scenariul de racire cu apa, in momentul de fata este avuta in vedere
utilizarea unor tevi realizate din materiale bazate pe Cu. In cazul cel mai fericit,
utilizand cele mai bune aliaje existente pe baza de Cu [92] cum sunt de pilda CuCrZr
sau GlidCop se pot crea sisteme de racire care sa reziste pana la temperaturi de 300-
350 ºC. Exista speranta ca, prin realizarea unor aliaje noi, cum sunt cele de tip ODS-
Cu [93], sau prin utilizarea Cu armat cu W in diferite forme [94], sa poata fi ridicata
temperatura de operare a acestor componente pana spre 400-450 ºC. Din pacate Cu si
aliajele bazate pe Cu incep sa reactioneze chimic cu apa la presiune si temperatura
ridicata. Astfel se apreciaza ca temperatura maxima a apei nu ar trebui sa depaseasca
150 ºC in mod normal si la limita sa atinga cel mult 200 ºC. Tinand seama si de
efectele de ciclare termica si iradiere cu neutroni, chiar si aceste valori ar putea fi prea
optimiste. Fiindca W din armura are o comportare buna abia peste 800 ºC, rezulta ca
este necesara introducerea unor materiale de interfata intre W si schimbatorul de
caldura bazat pe aliaje sau compozite din Cu.
Un astfel de material trebuie in mod evident sa indeplineasca cerintele tipice
utilizarii in reactoarele de fuziune (activare redusa, rezistenta la iradiere). In plus,
evident ca este necesar ca un material de interfata sa poata fi usor conectat atat cu W
cat si cu materiale bazate pe Cu, asigurand totodata si o solutie pentru reducerea
efectelor generate de diferentele dintre coeficientii de expansiune termica ai W si Cu.
In cadrul lucrarii de fata, pentru realizarea unor materiale de interfata intre W si Cu
au fost abordate doua directii complementare.
Prima dintre aceste directii este constituita de posibilitatea realizarii unor
materiale compozite W-Cu care sa asigure o trecere graduala de la W spre Cu. Este
4 Racirea divertorului sau a blanket-ului cu He la presiune inalta este conditionata de realizarea
unor materiale structurale adecvate, care in momentul de fata lipsesc. De asemenea,
contaminarea He cu T si reciproc constituie un risc in cazul unui accident in sistemul de racire.
Magdalena GALATANU
27
vorba de asa numitele materiale cu gradient functional, care in cazul de fata ar trebui
sa rezolve din start problema diferentei dintre coeficientii de expansiune termica si in
acelasi timp sa asigure o curgere fireasca a fluxului de caldura spre sistemul de racire.
Cea de-a doua directie abordata porneste de la presupunerea ca, indiferent de design-
ul divertorului, constrangeri legate de greutate sau/si functionalitate nu vor putea
permite reducerea temperaturii in armura de W suficient de mult pentru a nu afecta si
schimbatorul de caldura, adica temperatura la granita cu acesta va depasi limita
maxima admisa de circa 400 ºC. Un astfel de material ar trebui sa franeze curgerea
caldurii actionand ca o asa-zisa bariera termica.
b. Materiale cu gradient compozitional Cu-W
Materialele cu gradient functional (FGM) pot fi utilizate ca material de interfata
la imbinarea componentelor realizate din materiale cu proprietati diferite [95-99]. In
particular, in aplicatiile pentru DEMO, conectarea armurii cu materialele din zona de
transfer de caldura a reactorului constituie o adevarata provocare [38, 100, 101], iar
una dintre posibilele optiuni este de a folosi un FGM din W si Cu cu o grosime de
aproximativ 1-2 mm care sa faca legatura intre cele doua materiale. Din diagrama de
faze a Cu cu W rezulta faptul ca acestea nu sunt deloc metale miscibile [102], si in
acest caz pot deveni interesante pentru pentru realizarea de materiale compozite cu
gradient compozitional. Straturile cu concentratii diferite pot fi realizate cu diverse
metode, consolidarea in stare solida [96, 98, 103-108], interactia dintre Cu lichid si W
solid [109-111], sau prin diferite metode de depunere [95, 99, 112]. Infiltrarea Cu topit
intr-o matrice de W presinterizata se poate face prin diferite metode [110, 111, 113],
unele aplicabile deja industrial dar prezinta si unele dezavantaje precum goluri ce pot
persista in matricea de W.
O alternativa posibila este data de tehnica de sinterizare a pulberilor in camp
electric (SPS). In aceasta varianta de sinterizare, caracteristica esentiala a tehnicii
provine din sistemul de incalzire, fundamental diferit de cel clasic. In cadrul acestui
studiu, utilizand metoda SPS, au fost realizate diferite straturi compozite din wolfram-
cupru pornind de la pulberi nanometrice si micrometrice pentru ambele materiale.
Aceste straturi, avand compozitii W-Cu variate gradual, permit prin alipire realizarea
de materiale cu gradient functional. Un avantaj al metodei SPS este dat de faptul ca
se pot chiar realiza compozite cu mai multe straturi intr-un singur pas, realizand direct
materiale FGM. Au fost procesate prin SPS atat probe realizate dintr-un singur strat
(pentru a permite determinarea proprietatilor individuale in functie de compozitie) cat
si materiale FGM (cu mai multe straturi compozitionale). Au fost stabiliti atat
parametrii de proces optimi cat si limitele concentrationale in care por fi consolidate
astfel de materiale. Pentru probele realizate din graunti micrometrici de exemplu, o
limita minima a fost stabilita la ~20% concentratie volumetrica de Cu (~10% masic).
Pentru cuantificarea proprietatilor termice ale compozitelor din W-Cu, in aceast studiu,
a fost selectata limita volumica superioara a concentratiei de wolfram la 75%, in mod
simetric, cea mai joasa limita a concentratiei volumetrice de wolfram a fost aleasa 25%
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
28
si a fost analizata si compozitia intermediara cu 50% concentratie volumetrica W.
Pentru toate probele au fost analizate in detaliu densitatile, micro-structura si
proprietatile termo-fizice. Contrar asteptarilor initiale, s-a dovedit ca utilizarea
pulberilor nanometrice din W nu este oportuna, datorita formarii unor clusteri din Cu
topit acoperiti cu nanoparticule de W, asa cum se observa in figura 72. Nici utilizarea
pulberilor nanometrice de Cu nu este viabila, datorita aglomerarii greu controlabile a
grauntilor de Cu si generarea unor inomogenitati.
Figura 72. Iimagine de electroni secundari de detaliu pentru materialului compozit nm W-nm
Cu 1:3: aglomerarile sferice de W sunt formate din mici graunti de W,
cu dimensiuni de circa 60 nm.
Temperature (°C)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
(
W/m
/K)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
SPS-ed m Cu SPS-ed m W
1 step WCu FGM (m Cu - m W)W60Cu40 (wt%) commercial
Figura 81. Conductibilitatea termica intre temperatura camerei si 1000 °C pentru un FGM W-
Cu realizat din pulberi micrometrice cu 3 straturi (1:3+1:1+3:1) avand o grosime totala de 1
mm. Pentru comparatie sunt prezentate si valorile pentru alte materiale (vezi in text).
Magdalena GALATANU
29
In urma analizei comparative a proprietatilor termofizice a fost demonstrat ca
cele mai bune valori pentru conductibilitatea termica sunt obtinute pentru combinatiile
din pulberi micrometrice si in continuare pentru realizarea de materiale FGM au fost
utilizate numai pulberile micrometrice.
Un rezultat notabil este faptul ca pentru materialul FGM, conductibilitatea
termica este aproape constanta pe tot interalul de temperatura, avand o valoare de
aproximativ 200 W/m/K, asa cum se poate observa in figura 81. Acesta valoare este
comparabila si chiar mai mare la temperaturi inalte decat valorile raportate in literatura
pentru probele obtinute prin sinterizare in camp de microunde la temperaturi peste
temperatura de topire a cuprului, [98] si cu mult mai mare decat cele raportate pentru
probe obtinute prin alte metode [96]. Din punct de vedere aplicativ, rezultatele
prezente [116] arata ca se pot produce prin procedee care tin de metalurgia pulberilor
materiale de tip FGM din W si Cu. Utilizarea sinterizarii asistata de presiune permite
realizarea unui astfel de material cu mai multe straturi intr-un singlu ciclu de
sinterizare. Metoda este utila pentru realizarea unor materiale FGM cu grosimi de
circa 1 mm (sau mai mari). Utilizand particule de W si Cu cu dimensiuni micrometrice
se pot obtine materiale FGM cu proprietati termo-fizice excelente, printr-o procedura
simpla si cu avantaje deosebite in ceea ce priveste forma si geometria componentelor.
c. Bariere termice din Cu cu dispersii ceramice sau C
Din punctul de vedere al transferului de caldura, un FGM W-Cu are valori ale
conductibilitatii termice intre cele ale W si Cu si prin urmare nu poate proteja
schimbatorul de caldura in cazul in care apare o supraincalzire a armurii. Chiar si in
cazul in care consideram conditii stationare de operare a divertorului, adica prezenta
unui flux de caldura stationar de 10 MW/m2, asa cum reiese din simulari FEM ne
aflam in situatia in care temperatura la partea superioara a blocului de Cu este situata
la circa 440 ºC, adica deasupra limitei acceptabile de operare pentru acest material.
Introducerea unui material suplimentar cu conductibilitate termica mai mica (~30
W/m/K) pe post de bariera termica este de natura sa scada temperatura la partea
superioara a blocului schimbator de caldura la valori de circa 310 ºC, acceptabila, de
pilda pentru un aliaj tipic CuCrZr [107].
Ne punem in continuare problema gasirii unui material adecvat pentru acest rol,
si in aceasta sectiune vom prezenta rezultatele obtinute [117, 118] in cautarea,
producerea si caracterizarea unor materiale adecvate pentru a putea fi utilizate pe post
de bariera termica in constructia divertorului. Intr-o prima faza ne concentram asupra
situatiei divertorului realizat sub forma de bloc de Cu (sau aliaj de Cu) cu placa
distincta de W drept armura. In faza urmatoare vom aborda situatia divertorului
conceput ca monobloc de W montat pe teava de aliaj CuCrZr.
Conceptul de bariera termica nu este nou, el este frecvent utilizat in industria de
prelucrare a metalelor precum si in domeniul motoarelor de aviatie si in cel spatial
[119-121]. In aceste cazuri este vorba in general de materiale, de obicei ceramice,
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
30
atasate unor materiale structurale metalice, dar materialele ceramice utilizate ca
bariere termice sunt fie poroase, fie contin boruri si in general sunt greu de prelucrat
si de alipit de materialele metalice. Mai mult, variatiile ciclice si rapide intre
temperaturi mult diferite produc deteriorari masive ale materialelor ceramice uzuale.
Toate aceste conditii le fac neutilizabile pentru aplicatii in reactoare de fuziune. Odata
cu evolutia studiilor privind plasmele de fuziune si a experimentelor efectuate la
diferite facilitati in special la JET, nevoia introducerii unor materiale cu acest rol a
devenit din ce in ce mai clara. [122, 123].
Pe langa rolul principal de a controla curgerea fluxului termic prin
componentele divertorului, materialul de tip bariera termica trebuie de asemenea sa
indeplineasca criteriile de activare redusa si sa nu retina tritiu, conditii similare cu cele
impuse pentru materialul de armura din W [124, 125]. Apoi el trebuie sa permita o
alipire facila dar in acelasi timp rezistenta cu cele doua materiale adiacente, respectiv
cu armura de W si schimbatorul de caldura din aliaj de Cu si sa elimine stresurile
termo-mecanice generate de coeficientii de expansiune termica diferiti ai W si Cu. Au
fost propuse si studiate diferite compozite, precum Cu-diamant [126], W-Cu FGM
[112, 116, 127-129] sau alte diverse compozite W-Cu [130]. Toate aceste materiale,
prezinta conductibilitati termice si coeficienti de expansiune termica situate intr-un
interval dintre cele doua valori ale Wsi Cu, furnizand o tranzitie graduala intre
materiale si, micsorand stresul intre interfete. Astfel de materiale si compozite nu pot
insa juca si rolul propriu-zis de bariera termica. Pentru a fi eficienta o bariera termica
trebuie sa aiba conductibilitatea termica semnificativ mai mica decat cea a
materialelor adiacente, in particular mai mica decat cea a W. Una din cele mai
promitatoare alternative propuse initial [123] a fost constituita de Cu spongios (Cu-
foam). Astfel de materiale se pot realiza in ziua de azi relativ usor la nivel industrial
si, pe langa conductibilitatea termica mult mai scazuta decat a metalului in forma
clasica, prezinta si avantajul ca pot acomoda usor efectele generate de dilatari termice
diferite. Din pacate, porozitate evident foarte mare, creaza probleme privind
acumularea de tritiu si in cazul expunerii la temperaturi mari sunt posibile modificari
ireversibile ale geometriei si dimensiunilor materialului.
In aceaste conditii ne-am gandit la utilizarea pe post de bariere termice a unor
compozite metalo ceramice si am propus o metoda simpla de producere a acestora
prin sinteriezare asistata de camp electric SPS, metoda care permite realizarea unor
compozite pe baza de Cu cu un continut mare (10-40 % volumetric) din diferite
materiale dispersate (oxizi, SiC, C). Desi utilizarea Cu (avand o conductibilitate
termica mare) poate parea paradoxala pentru obtinerea unei bariere termice, exista
cateva criterii importante care au stat la baza alegerii sale ca material matrice. In
primul rand este vorba de faptul ca permite o alipire facila atat cu W cat si cu toate
aliajele sau compozitele pe baza de Cu. In acelasi timp, Cu nu este miscibil cu W si
prin urmare nu pot aparea compusi intermetalici la interfata cu W, chiar daca
temperatura in timpul functionarii se apropie de cea de topire a cuprului. Din punctul
de vedere al materialelor dispersate, evident au fost alese materiale care nu sunt
miscibile si nu interactioneaza chimic cu materialul matrice. Mai mult, atat carbura de
Magdalena GALATANU
31
siliciu cat si carbonul sunt deja luate in considerare si folosite in aplicatii pentru
fuziune, iar oxizii sunt materiale cu conductibilitate termica redusa, folositi de obicei
ca dispersii pentru a intari aliajele. Al si Y nu sunt elemente cu grad redus de activare,
dar pot fi acceptate in prima instanta daca sunt in cantitati mici.
Materialele bariere termice bazate pe cupru, au fost preparate folosind pulberi
de cupru micrometrice (APS=1 m) si nanometrice (APS=40-60 nm). Materialele
folosite ca dispersii au fost pulberi nanometrice de oxizi Y2O3 (APS = 20 nm), Al2O3
(APS = 20 nm), carbura de siliciu, SiC (APS = 20 nm), grafena (APS~ 5 nm × 50 m),
precum si pulbere micrometrica de carbon sau fibe scurte de carbon cu continut scazut
de cenusa.
Au fost stabilite conditiile optime de procesare pentru fiecare material in parte
si au fost realizate analize morfo-structurale si ale proprietatilor termo-fizice pentru
toate combinatiile investigate, stabilandu-se astfel corelatiile intre material,
concentratii si proprietati pe baza carora sa poata fi selectat materialul dorit in functie
de proprietati. Si in acest caz, nano-structurarea matricii de Cu nu este o solutie viabila,
in pofida posibilitatii de a obtine din start valori mai reduse ale conductibilitatii
termice la aceeasi concentratie de material dispersat, deoarece in urma dupunerii al
ciclare termica sunt in final atinse valori similare cu cele ale probelor cu matrice din
Cu micrometric. Pentru materialele cu matrice de Cu micrometric, din punctul de
vedere al transportului termic, selectia se poate face utilizand o diagrama ca cea din
figura 90.
Figura 90. Reducerea difuzivitatilor termice pentru materialele bariere termice exprimate
ca procent din valorii difuzivitatii cuprului pur la temperatura limita de operare
Este interesant de observat ca in timp ce materialele compozite de tipul Cu-oxizi
prezinta o reducere puternica a difuzivitatii termice la concentratii mari de dispersii,
efect natural si de asteptat, datorita conductibilitatii termice cu valori scazute a
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
32
oxizilor, compozitele de tipul Cu-SiC au o performanta mult mai buna in concentratii
mai mici, desi carbura de siliciu are valori mari ale conductibilitatilor termice la
temperatura camerei (100-350 W/m/K). Avand in vedere faptul ca pe de o parte
dimensiunile particulelor dispersate sunt in principiu de aceeasi marime si
temperaturile lor de topire si de sinterizare sunt situate in aproximativ acelasi domeniu
de temperatura, iar pe de alta parte observatia ca morfologiile probelor produse cu
aceste dispersii par similare, reducerea difuzivitatilor termice este cel mai probabil
datorata calitatii interfetelor.
Rezultatele acestei prime etape [117] arata ca este posibila utilizarea unor
compozite metalo-ceramice cu matrice de Cu si dispersii de oxizi, carburi sau C pe
post de bariere termice. Cele mai bune materiale obtinute in acesta etapa sunt cele cu
dispesii de C micrometric (fibre scurte) si cele cu dispersii de SiC. Acestea indeplinesc
atat conditiile necesare privind conductibilitatea termica (pentru cazul divertorului cu
placa distincta de W) cat si pe cele privind coeficientii de dilatare termica pentru
intervale de operare cuprinse intre temperatura camerei si 1000 °C. Utilizarea pentru
producerea acestor materiale a unei tehnologii care tine de metalurgia pulberilor ofera
certe avantaje legate de versatilitatea metodei, care pe de o parte permite o determinare
cu precizie a continutului de material dispersat si implicit a proprietatilor sale termo-
fizice, iar pe de alta parte poate fi folosita pentru a obtine o gama larga de probe cu
forme si dimensiuni diferite.
Valorile obtinute pentru conductibilitatea termica in cazul materialelor studiate
ating la limita maxima de concentratie posibila pentru compozitele din Cu cu dispersii
de C micrometric (~50% volumetric) si alumina nanometrica (~40% volumetric)
valoarea necesara in cazul unui divertor de tip monobloc din W de 10 W/m/K. Aceasta
se intampla insa doar la temperaturi de peste 900 ºC.
Un design de tip monobloc din W pentru divertor, similar cu cel din cadrul ITER
[131], implica constrangeri suplimentare pentru eventualele bariere termice utilizate
ca interfata, intre armura de W si schimbatorul de caldura din aliaj de Cu. In conceptul
de divertor monoblock [132], armura din W este in forma de prisma rectangulara si o
teava de CuCrZr trece prin mijlocul componentei din W. Din start, spre deosebire de
cazul divertorului cu placa distincta de W, in conceptul de monobloc W nu se poate
pune problema inlocuirii unui bloc de W deteriorat, situatie care impune din start
mentinerea mult mai riguroasa a W in fereastra optima de operare, adica in domeniul
800÷1200 ºC [40, 133-135]. Pe de alta parte conservarea rezistentei mecanice a
tubulaturii din CuCrZr, inclusiv in zona de contact cu W impune o atentie maxima,
avand in vedere riscul de aparitie al fisurilor, pentru ca in acest caz schimbatorul de
caldura este redus la nivelul tevii, fara a mai beneficia de blocul protector de material
similar. Evident, avand in vedere conceptul, materialul de tip bariera termica va avea
forma unui inel lat si subtire, ceea ce impune producerii acestuia fie intr-o forma de
banda flexibila, fie direct sub forma de inel, in ambele cazuri materialul trebuind sa
aiba o plasticitate adecvata la temperatura la care se realizeaza imbinarea
componentelor.
Magdalena GALATANU
33
Tinand cont de rezultatele precedente, ne-am propus ca in cazul conceptului de
divertor cu monobloc din W sa investigam compozitele Cu-ZrO2 ca potentiale
candidate pentru materiale de tip bariera termica. ZrO2 este un material ceramic cu o
temperatura de topire ridicata, cu o valoare dintre cele mai mici ale conductibilitatii
termice pentru un oxid, si care prezinta o compatibilitate buna cu Cu. Aceasta ar putea
permite eventuala obtinere a unor conductibilitati termice mai reduse la concentratii
mai mici de material dispersat. Materialele bariere termice Cu-ZrO2 au fost preparate
folosind pulberi micrometrice de Cu (APS=1 m) si pulberi nanometrice de ZrO2
(APS = 20 nm) de la US Research Nanomaterials, Inc. Si in acest caz au fost stabiliti
parametrii optimi de proces in functie de concentratie, iar probele obtinute au fost
caracterizate morfo-structural si din punctul de vedere al proprietatilor termo-fizice.
Surprinzator, pentru compozitele Cu-ZrO2, fractie de oxid poate fi mult mai mare,
atingand chiar si 90% volumetric. Mecanismul raspunzator pentru aceste proprietati
este rezultatul metodei de procesare si al capacitatii Cu de a uda zirconia. Acestea
conduc pentru concentratii mari de oxid la formarea unei matrici de Cu de tip fagure,
cu pereti foarte subtiri, asa cum este ilustrat in figura 98.
Figura 98. Morfologia probei compozite Cu-ZrO2 cu 60% volumetric de ZrO2 sinterizata la
930 ºC, redata prin imaginea SE a probei.
Si aici au fost realizate analize morfo-structurale si ale proprietatilor termo-
fizice pentru toate combinatiile investigate, stabilandu-se astfel corelatiile intre
material, concentratii, parametrii de proces si proprietati pentru a putea selecta
materialul adcvat cerintelor. La concentratii foarte mari de zirconia, de ordinul 90%
volumetric, conductibilitatea termica atinge valori extrem de joase, de ordinul a 1
W/m/K (vezi figura 101). Astfel de valori sunt inferioare ceramicilor izolatoare,
inclusiv cele determinate pentru oxidul de zirconiu care prezinta valori de circa 1,5-2
W/m/K. Acest fapt este surprinzator, avand in vedere ca proba compozita retine cel
putin la curenti mici proprietati electrice similare metalelor. Din punctul de vedere al
conductibilitatii termice, putem spune ca materialele cu zirconia sunt net superioare
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
34
celorlalte compozite testate si pot juca cu succes rolul de bariera termica chiar si in
straturi cu grosimi mici, sub milimetrice.
Figura 101. Conductibilitatea termica pentru compozitele Cu – ZrO2 cu concentratii mari de
zirconia, sinterizate la temperatura de 830 °C.
Pentru a intelege mai bine mecanismele de conductie termica in probe, au fost
investigate conductibilitatile electrice ale probei cu 70% volumetric de zirconia si
cele ale unei probe din spuma de Cu (63% porozitate) pentru comparatie. Analiza
comparata a coeficientilor de transport electric si termic a permis intelegerea
mecanismelor care contribuie la descresterea conductibilitatii termice.
Unul dintre cele mai mari avantaje de a avea Cu in materialele pentru bariere
termice este dat de faptul ca datorita Cu compozitul poate fi usor alipit de ambele
componente din divertor, armura de W si respectiv schimbatorul de caldura din
CuCrZr. Lipirea se poate realiza usor prin diferite metode cum sunt alipirea prin
difuzie, brazarea, tehnologia FAST (field assisted sintering technique), alipirea prin
HRP (hot radial pressing, deja folosit pentru componentele divertorului ITER si
DEMO). In studiul de fata, a fost testatata tehnologia de imbinare FAST care permite
alipirea in timp scurt a celor trei componente.
Prin urmare, in aceasta etapa secunda am demonstrat ca se pot produce materiale
compozite Cu-ZrO2 cu o fractie neasteptat de mare de continut oxidic, pana la 90%
volumetric. Pentru materialele care au in compozitie in jur de 80%, s-au obtinut cele
mai mari valori ale densitatilor, in timp ce valoarile conductibilitatilor termice scad
sub 10 W/m/K pe intreg intevalul de temperatura (de la camera la 1000 °C). O
conductibilitate electrica metalica este pastrata chiar si de materialele cu concentratie
mare de zirconia in compozitie. In acelasi timp, coeficientii de expansiune termica au
valori convenabile din punctul de vedere al diminuarii stresului la jonctiunea W –
Magdalena GALATANU
35
CuCrZr, fiind in jurul valorii de 7×10-6 K-1, intre valorile pe care le au W si Cu. Aceste
proprietati fac aceste materiale ideale pentru a fi folosite ca BT in cadrul conceptului
de divertor cu monobloc de W pentru reactorul de fuziune DEMO. In figura 109 este
prezentata o simulare pentru rolul unei astfel de bariere.
5. Concluzii
In cadrul acestei lucrari au fost sintetizate si analizate o serie de noi materiale si
compozite destinate utilizarii in reactoare de fuziune nucleara, in particular utilizarii
lor in constructia divertorului sau/si blanketului unui astfel de reactor. Aceasta
potentiala destinatie impune in mod particular in cazul divertorului necesitatea unei
comportari bune in fluxuri mari de caldura, iar in cazul blanketului o comportare
foarte buna in fluxuri mari de neutroni. In ambele situatii aceste materiale trebuie sa
indeplineasca criteriul de activare redusa, impermeabilitate cat mai buna la tritiu,
precum si conditii particulare de rezistenta mecanica. De asemenea este important,
avand in vedere costurile de constructie si operare ca aceste materiale sa fie
imbunatatite pentru a rezista la unele posibile accidente, cum sunt cele rezultate din
pierderea fluidului de racire sau fluctuatii mari ale plasmei pe parcursul functionarii
reactorului.
In acest sens lucrarea prezenta abordeaza trei clase de materiale5:
ceramice si compozite ceramice bazate pe SiC, cu potentiala utilizare atat
ca materiale structurale cat si ca materiale functionale;
materiale si compozite din W, cu potentiala utilizare ca materiale de armura
si ca materiale structurale;
materiale de interfata intre armura de W si schimbatorul de caldura realizat
din Cu sau aliaje pe baza de Cu.
Studiile efectuate au avut in vedere intelegerea si optimizarea tehnologiilor de
procesare (consolidare si respectiv imbinare) pe de o parte, iar pe de alta parte
5 Toate aceste materiale au fost procesate in INCDFM, utilizand tehnica de sinterizare asistata
de camp electric, mentionata in continuare prin SPS (spark plasma sintering) in cazul materialelor obtinute din pulberi si prin FAST (field assisted sintering technique) in cazul
materialelor obtinute din folii metalice sau pentru imbinarile de materiale solide. Depunerile de
straturi subtiri utilizate in studiul „laminatelor de W” au fost realizate in INFLPR (grupul condus de Dr. G. Dinescu). Morfologia si microstructura probelor astfel realizate a fost investigata
utilizand tehnici de microscopie electronica de baleiaj si difractometrie de raze X, iar
proprietatile termo-fizice ale materialelor au fost analizate in urma masuratorilor efectuate cu diferite alte echipamente din infrastructura INCDFM. Investigatiile realizate prin micro-
tomografie de raze X au fost realizate in INFLPR (grupul condus de Dr. I Tiseanu) iar expunerea
materialelor in fluxuri de plasma si fascicule de electroni au fost realizate tot in INFLPR (grupul
condus de Dr. C Ticos). Testele mecanice au fost realizate la KIT-IAM in colaborarea
EUROfusion cu grupul condus Dr. J. Reiser.
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
36
caracterizarea si explicarea proprietatilor materialor astfel obtinute. Pe langa aspectele
de fizica fundamentala implicite in intelegerea comportamentului materialelor
obtinute, evaluarea acestora a fost facuta si prin prisma posibilitatilor de utilizare a lor
in cadrul unui reactor de fuziune. Cele mai importante rezultate obtinute in aceasta
lucrare sunt punctate in continuare, mentionand si dezvoltarile avute in vedere pentru
viitor.
Principalele rezultate privind compozitele cu matrice
nanostructurata de SiC
Utilizand SPS au putut fi sintetizate materiale din SiC avand densitati
apropiate de cea teoretica (98-99%) fara a afecta morfologia nanostructurata
a probelor. Am demonstrat ca in functie de parametrii de proces SPS
(presiune si temperatura) pot fi realizate materiale SiC avand
conductibilitati termice cu valori foarte mici, inclusiv de ordinul
2-3 W/m/K. Asfel de materiale pot avea aplicatii in canalele de ghidare a
fluidului de racire in versiunea de blanket racit dual, cu He si eutecticul din
Pb-Li.
In cazul in care in astfel de matrici SiC nanostructurate sunt introduse
dispersii metalice am aratat ca este posibil, chiar in cazul unor concentratii
mici de aditii, de numai cateva procente, sa se obtina cresteri semnificative
ale conductibilitatii termice, rezultand valori ale acesteia crescute cu pana
la circa 300% in cazul utilizarii dispersiilor de W nanometric.
A fost propusa o solutie tehnologica de alipire a SiC cu materialul de armura
W care permite realizarea unei imbinari robuste si in acelasi timp evita
carburarea W la interfata.
Pentru imbunatatirea in continuare a densitatii matricii de SiC au fost
analizate diferite combinatii de precursori (pulberi SiC) cu granulatii
diferite si au fost determinate combinatiile optime necesare unei densitati
mari (peste 99% din valoarea teoretica).
A fost elucidat mecanismul care contribuie la sinterizarea buna a SiC prin
SPS excluzand utilizarea unor aditivi stimulatori de sinterizare.
Am demonstrat ca in cazul utilizarii unor combinatii de pulberi
micrometrice si nanometrice de SiC, imprastierea purtatorilor de caldura pe
interfetele dintre grauntii nanometrici si cei micrometrici constituie
mecanismul principal de limitare al transportului termic.
Ajustarea corespunzatoare a proportiilor de pulberi micrometrice de SiC in
matricea nanostructurata de SiC permite realizarea de compozite SiC-SiC
cu conductibilitati termice margand pana la 36 W/m/K la temperatura de
1000 °C, mult superioara cerintei de 20 W/m/K impusa de proiectul pentru
un material structural bazat pe SiC.
Magdalena GALATANU
37
Avand in vedere rezultatele obtinute in lucrarea de fata, in perioada
urmatoare ne propunem dezvoltarea de materiale de matrice pe baza de SiC
cu diferite alte dispersii metalice precum si de compozite cu astfel de matrici
intarite cu fibre.
Principalele rezultate privind materialele si compozitele din W cu
potential de utilizare pe post de armura in reactoare de fuziune
Prin optimizarea parametrilor de proces SPS si utilizand diferite combinatii
de pulberi de W cu granulatii mergand de la cateva zeci de nanometri pana
la cateva zeci de micrometri au fost realizate materiale cu densitati de pana
la 97% din valoarea densitatii teoretice.
In urma expunerii la jeturi dense de plasma in pulsuri s-a evidentiat faptul
ca cea mai buna performanta o au materialele cu granulatie mica, in jur de
1 micrometru. Acest rezultat a fost implementat pentru realizarea
componetelor machetelor de divertor care urmeaza sa fie realizate in
INCDFM in vederea testelor in fluxuri mari de caldura care vor fi efectuate
la GLADIS. Cateva din monoblocurile din W realizate in INCDFM in acest
scop sunt prezentate in figura 109.
Figura 109. Monoblocuri din W de 800 nm produse prin SPS in INCDFM.
Au fost realizate prin SPS si investigate din punctul de vedere al
proprietatilor termofizice materiale cu matrice de W si dispersii de SiC, Fe,
Cr, Ir si Re in diferite concentratii.
Pentru compozitele din W cu dispersii de SiC rezultatele obtinute sunt
contradictorii, concentratii mici de SiC implica in general proprietati
structurale si termofizice mai bune in timp ce concentratii mai mari de SiC
conduc la materiale cu proprietati termofizice mai proaste dar cu o
comportare mai buna in fluxuri de caldura, asa cum a rezultat in urma
experimentelor de iradiere cu electroni de 6 MeV in aer utilizand
acceleratorul liniar ALID 7 din INFLPR.
Pentru compozitele din W cu dispersii din metale cu temperaturi inalte de
topire (Re si Ir) rezultatele obtinute sugereaza pe de o parte ca utilizarea Re
nu este o solutie viabila, W si Re neformand un aliaj la procesarea prin SPS.
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
38
Pe de alta parte, in compozitele W-Ir a fost observata o structurare
interesanta a Ir care merita o investigatie mai consistenta pentru a intelege
modul de formare si a putea optimiza materialul in vederea unei utilizari in
cadrul divertorului DEMO, avand in vedere si faptul ca materialul are
conductivitati termice ridicate iar pentru o concentratie de Ir de 5% s-a
obtinut si o comportare acceptabila in urma experimentelor de iradiere cu
electroni de 6 MeV in aer.
Pentru compozitele din W cu dispersii de Cr rezultatele prezente sunt
contradictorii. Pe de o parte la procesarea prin SPS se produce alierea
partiala a W cu Cr in detrimentul omogeneitatii microscopice si asociat cu
o scadere semnificativa a conductiei termice, iar pe de alta parte prezenta
Cr imbunatateste comportamentul materialului la oxidare in atmosfera
uscata sau si umeda, asa cum au aratat experimentelor de iradiere cu
electroni de 6 MeV in aer..
Pentru compozitele din W cu dispersii de Fe, in cazul materialelor cu
concentratii volumetrice sub 5%, am demonstrat ca topirea repetata a Fe in
matricea de W nu afecteaza materialul.
Avand in vedere aceste rezultate ne propunem in viitor investigarea detaliata
a unor compozite cu matrice de W continand diverse combinatii de Ir, otel
si SiC pentru a testa posibilitatea obtinerii unor materiale potrivite pentru
armura divertorului DEMO.
Principalele rezultate privind compozitele stratificate din W cu
potential de utilizare ca material structural in reactoare de
fuziune
A fost testata posibilitatea procesarii prin FAST a compozitelor stratificate
cu folii din W si alte metale asa-numitele „laminate de W”. Am putut arata
ca tehnologia este pe deplin fezabila producand materiale de calitate cu
forme si dimensiuni diferite intr-un timp foarte scurt si mai mult, este
scalabila spre productia industriala.
Pentru laminatele W-Cu procesate prin FAST au fost stabilite conditiile
optime de presiune si temperatura in timpul procesarii si au fost produse
materiale cu proprietati mecanice si termofizice similare cu cele obtinute
prin alipire prin difuziune termica la KIT, asa cum au aratat investigatiile
efectuate in paralel in INCDFM si KIT.
Pentru laminatele W-V procesate prin FAST au fost stabilite conditiile
optime de presiune si temperatura in timpul procesarii si au fost produse
materiale care nu prezinta efecul Kirkendall in urma expunerii prelungite la
temperaturi inalte (1000 ore la 1000 °C), in contrast cu materialele produse
prin difuziune termica la KIT. Acest rezultat remarcabil a fost verificat prin
experimente incrucisate efectuate in INCDFM si KIT.
Magdalena GALATANU
39
Pentru laminatele W-Ti (care fusesera excluse din lista de solutii posibile
datorita inter-difuziei puternice intre W si Ti) a fost propusa si testata solutia
utilizarii unei bariere de difuzie, prin utilizarea unui strat de Cr de 100-150
nm depus pe suprafetele de W. Am demonstrat experimental ca aceasta
procedura ofera rezultatele scontate, stratul de Cr supravietuind atat
procesului de alipire cat si testelor de imbatranire termica. Materialele astfel
produse prezinta o interfata neta W-Ti chiar si dupa expunerea timp de 1000
ore la temperatura de 1000 °C.
Pe baza acestor rezultate care pot reintroduce laminatele W-V si W-Ti in
lista materialelor cu potential in aplicatii destinate reactoarelor de fuziune,
a fost demarat deja in INCDFM in colaborare cu KIT un studiu dedicat
investigarii proprietatilor termomecanice si termofizice ale laminatelor W-
V si W-Ti.
Pentru a putea caracteriza fenomenul complex de interdifuzie W-Cr-Ti care
are loc la interfata din laminatele W-Ti avem in vedere un studiu amplu
implicand diferite metode avansate incluzand HRTEM-EELS si SIMS-
TOF.
Principalele rezultate privind materiale de interfata intre armura
de W si schimbatorul de caldura din Cu sau aliaje pe baza de Cu
In vederea realizarii unor materiale de interfata cu gradient compozitional,
au fost produse prin SPS compozite W-Cu in diferite proportii volumice,
utilizand atat pulberi nanometrice cat si micrometrice din ambele materiale.
Au fost analizate proprietatile termofizice ale acestor materiale si au fost
stabilite corelatiile dintre acestea si proprietatile micro-structurale si
morfologice ale materialelor.
Cele mai bune rezultate au fost obtinute in cazul utilizarii particulelor cu
dimensiuni micrometrice si pe baza unor astfel de combinatii de pulberi am
demonstrat fezabilitatea realizarii unui material cu gradient functional W-
Cu in grosime de 1 mm, intr-un proces. SPS de un singur pas. Materialul
obtinut prezinta proprietati termice foarte bune, cu o conductibilitate
termica aproape constanta de circa 200 W/m/K de la temperatura camerei
si pana la 1000 °C, surclasand valorile raportate pana in prezent in literatura.
A fost de asemenea demonstrata posibilitatea utilizarii FAST pentru
imbinarea compozitelor FGM W-Cu cu materialele adiacente W si CuCrZr,
in vederea utilizarii ca material de interfata in cadrul divertorului unui
reactor de fuziune de tip DEMO.
Pentru ultima versiune de monobloc de W al divertorului DEMO este
necesar un material de interfata de tip bariera termica, cu rolul de a mentine
pe cat posibil materialul de armura si cel al schimbatorului de caldura in
ferestrele de temperatura de operare proprii si de a reduce tensiunile
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
40
mecanice generate la interfata W-CuCrZr in urma urma ciclarii termice. In
acest sens au fost realizate prin SPS o serie de compozite din Cu si diverse
dispersii din materiale ceramice sau C.
Au fost investigate proprietatile termofizice pentru compozitele produse
prin SPS din Cu cu Y2O3, Al2O3 SiC, ZrO2, C micrometric, C nanometric si
grafena si au fost stabilite corelatiile compozitie-proprietati structurale –
proprietati termofizice in vederea selectionarii celor mai adecvate materiale
pentru diferite concepte de divertor.
A fost testata si demonstrata fezabilitatea imbinarii prin FAST a acestor
materiale cu materialele adiacente W si CuCrZr in vederea implementarii in
machete de divertor.
Cel mai surprinzator rezultat este legat de demonstrarea posibilitatii de a
realiza prin SPS compozite perfect consolidate Cu-ZrO2 cu proportii
volumetrice de ZrO2 de pana la 90%, in conditiile unei temperaturi de
procesare sub temperatura de topire a Cu. Aceasta situatie neasteptata, mult
sub limita teoretica de contiguitate a fost explicata pe baza unei morfologii
particulare (de tip fagure) care se formeaza in urma adecvarii parametrilor
de proces SPS la compozitie.
Au fost asfel obtinute materiale cu proprietati electrice de conductor si
conductibilitati termice de izolator cu valori coborand sub 1 W/m/K, sub
valoarea conductibilitatii termice a ZrO2 (~1.5 W/m/K) care este unul din
cei mai buni izolatori termici ceramici.
Pe baza rezultatelor si materialelor obtinute in acest studiu a fost propusa o
tehnologie de lucru, schitata in figura 110, pentru producerea unor
monoblocuri de divertor DEMO incluzand bariere termice cu gradient
compozitional realizate astfel incat sa permita mentinerea W si CuCrZr in
ferestrele de temperatura de operare optime [136]. Acesta tehnologie este
folosita in prezent in INCDFM pentru realizarea unor machete de divertor
in vederea efectuarii de teste in fluxuri mari de caldura.
Figura 110. Schita a procesului tehnologic de implementare a unor bariere termice cu gradient
compozitional in monoblocul de W pentru divertorul DEMO. Pe baza acesteia sunt in curs
de realizare in INCDFM machete de divertor in vederea testarii in fluxuri mari de caldura.
Magdalena GALATANU
41
7. Bibliografie
[1] Francesco Romanelli et al., “Fusion Electricity A roadmap to the realisation of fusion
energy” (2013) ISBN 978-3-00-040720-8, https://www.euro-fusion.org [2] M. Sehila et al., Fusion Sci. Technol. 66 (2014) 38.
[3] P. Yvon et al., Journal of Nuclear Materials. 385(2) (2009) 217.
[4] J.W. Coenen et al., JET SCIENCE MEETING (2014) [5] M.R. Gilbert et al., J.Nucl. Fusion 51 (2011) 043005.
[6] M.R. Gilbert et al.,J.Nucl. Fusion 52 (2012) 083019.
[7] M.R. Gilbert et al., J.Nucl. Mater. 442 (2013) S755.
[8] S.J. Zinkle et al., Fusion Engineering and Design. 51–52 (2000) 55.
[9] Y. Katoh et al., Current Opinion in Solid State & Materials Science 16 (2012) 143.
[10] C.P. Deck et al., Progress in Nuclear Energy 57 (2012) 38. [11] Y. Katoh et al., Journal of Nuclear Materials 417 (2011) 400.
[12] A. Iveković et al., Fusion Engineering and Design 100 (2015) 638.
[13] H. Yang et al., Ceramics International 41 (2015) 14692. [14] H.Yang et al., Ceramics International 41 (2015) 11651
[15] C.P. Deck et al., Progress in Nuclear Energy 57 (2012) 38.
[16] D.H. Jeong et al., J. Korean Ceram. Soc. 20 (1983) 115. [17] M. Galatanu et al., Fusion Engineering and Design 88 (2013) 2598.
[18] T. Taguchi et al., Journal of Nuclear Materials 417 (2011) 348.
[19] K. Shimoda et al. Composite Science and Technology 71 (2011) 326. [20 ] H.J. Yu et al., Fusion Engineering and Design 85 (2010) 1693.
[21] A. Bereciartu et al., Fusion Engineering and Design 86 (2011) 2526.
[22 ] Y.J. Lee et al., IOP Conf. Series-Mater. Sci. and Eng. 18 (2011) 162014. [23] I. Tiseanu et al. Fusion Engineering and Design 86 (2011) 1646.
[24] A.G. Evans. Acta Materialia 45 (1997) 23.
[25] H. Noto et al., Nuclear Materials and Energy 9 (2016) 411. [26] J. Reiser et al., Int. J. of Refractory Metals & Hard Materials 69 (2017) 66.
[27] J. Hennicke et al., CFI-CERAMIC FORUM INTERNATIONAL 81 (2004) E14.
[28] S. Grasso, et al., Sci. Technol. Adv. Mater. 10 (2009) 053001. [29] M. Suárez, et al., InTech Open: Materials Science: “Sintering Applications” (2013)
ISBN 978-953-51- 0974-7.
[30] B. Riccardi,et al., J.Nucl. Mater. 329-333 (2004) 56. [31] Pi-Yueh Chuang et al., Int. J. of Heat and Mass Transfer 61 (2013) 490
[32] S. Eric et al., Annual Review of Materials Research 42 (2012) 179.
[33] W. Chen, et al., Materials Science and Engineering A 394 (2005) 132.
[34] L. Geuntak et al.,Acta Materialia 144 (2018) 524
[35] M. Galatanu et al., trimisa spre publicare la Ceramics Int. [36] T. Donne et al., “European Research Roadmap -SOFT 2018 to the Realisation of Fusion
Energy”, versiune updatata 2018, https://www.euro-fusion.org
[37] G. Federici et al., Fusion Eng. Des. 109–111 (2016) 1464. [38] F. Crescenzi et al., Fusion Eng. Des. 124 (2017) 432.
[39] J.H. You et al. Fusion Eng. Des. 124 (2017) 364.
[40] L. Bukonte et al., J. Appl. Phys. 115 (2014) 123504. [41] F.. Koch et al., J.Nucl. Mater 386–388 (2009) 572.
[42] S. Antusch et al., Nuclear Materials and Energy 3–4 (2015) 22.
[43] G. Pintsuk et al., Phys. Scr. T167 (2016) 014056. [44] M. Dias et al., Fusion Eng. Des. 98–99 (2015) 1950.
[45] C.M. Ticos et al.¸ Applied Surface Science 434 (2018) 1122.
[46] M. Wirtz et al, J. Nucl. Mater. 443 (2013) 497.
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
42
[47] Y. Kikuchi, et al., J. Nucl. Mater. 438 (2013) S715.
[48] M.S. Ladygina et al., Nukleonika 60 (2015) 293.
[49] J.P. Tran-Huu-Loi et al., Mater. Sci. 20 (1985) 199. [50] B. Gludovatz et al., Phil. Mag. 19 (2011) 3006-3020
[51] B. Gludovatz, “Fracture behaviour of tungsten”, PhD-thesis, Univ. Leoben, 2010.
[52] D. Rupp, S.M. Weygand, J. Nucl. Mater. 386–388 (2009) 591. [53] D. Rupp et al., Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 28 (2010) 669.
[54] D. Rupp, S. Weygand, Phil. Mag. 90 (2010) 4055.
[55] B. Gludovatz et al., Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 28 (2010) 674. [56] M. Rieth, A. Hoffmann, Adv. Mater. Res. 59 (2009) 101.
[57] M. Rieth et al., Adv. Sci. Technol. 73 (2010) 11.
[58] M. Faleschini et al., J. Nucl. Mater. 367–370 (2007) 800. [59] M. Faleschini et al., Nano Eng. Mater. Struct. B 2T15 (2006) 445.
[60] H. Kurishita et al., Mater. Sci. Eng. A 477 (2008) 162.
[61] H. Kurishita et al., J. Nucl. Mater. 398 (2010) 87. [62] A. Calvo et al., Fusion Engineering and Design 124 (2017) 1118.
[63] Suresh Telu et al., Int. J. of Refractory Metals and Hard Materials 36 (2013) 191.
[64] T. Wegener et al., Nuclear Materials and Energy 9 (2016) 394. [65] A. Litnovsky et al., Nuclear Materials and Energy 12 (2017) 1363.
[66] M. Rieth, A. Hoffmann, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 28 (2010) 679.
[67] S. Wurster, et al., J. Refract. Met. Hard Mater. 28 (2010) 692. [68] L. Romaner et al.,Phys. Rev. Lett. 104 (2010) 195503.
[69] M. Rieth et al, J. Nucl. Mat. 417 (2011) 463.
[70] S. Novak et al., prezentata la SOFT 2018 si trimisa spre publicare la J. Nucl. Mat. [71] Z.M. Xie et al., Scientific Reports 5 (2015) 16014.
[72] J. Riesch et al, Physica Scripta T159 (2014) 014031.
[73] G. Pintsuk et al., “European Materials Development: Results and Perspective”, SOFT 2018 paper trimisa spre publicare la Fus. Eng. and Design.
[74] A. Calvo et al., Int. J. of Refractory and Hard Materials 73 (2018) 29.
[75] A. Litnovsky et al., Fus. Eng. Des., https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.04.028 [76] M. Park et al., Journal of Alloys and Compounds 611 (2014) 433.
[77] J. Reiser ey al., J. Nucl. Mater. 423 (2012) 1.
[78] J. Reiser et al., J. Nucl. Mater. 424 (2012) 197. [79] J. Reiser et al., J. Nucl. Mater. 434 (2013) 357.
[80] A.A.N. Németh et al., Int. J. Refract. Met. and Hard Mater. 50 (2015) 9.
[81] J. Reiser et al., J. Nucl. Mater. 436 (2013) 47. [82] J. Reiser et al. Adv. Eng. Mater. 17 (2015) 491.
[83] J. Reiser et al., Int. J. Refrac. Met. and Hard Mater. 51 (2015) 264.
[84] L.M. Garrison et al., J. Nucl. Mater. 481 (2016) 134.
[85] Z. Chen et al., J. Nucl. Mater. 472 (2016) 110.
[86] D.E.J. Armstrong, T.B. Britton, Mater. Sci. Eng. A 611 (2014) 388.
[87] T. Koyanagi et al., J. Nucl. Mater. 490 (2017) 66. [88] T. Palacios et al., Int. J. Refrac. Met. and Hard Mater. 48 (2015) 145.
[89] A. Galatanu et al., SOFT 2018 paper, trimisa spre publicare la Fus. Eng. Design
[90] J.L. Brimhall et al., Radiation Effects 9 (1971) 273. [91] I. V. Gorynin et al., Plasma Devices and Operations 4 (1996) 235.
[92] A. Li-Puma et al., Fusion Eng. Des. 88 (2013) 1836.
[93] G. Carro et al., Fusion Eng. Des. 124 (2017) 1156. [94] A.v. Müller et al., Fusion Eng. Des. 124 (2017) 455.
[95] Pintsuk G. et al.,.J. Mater Sci: 42 (2007) 30.
[96] T. Xi et al., Int. J Refrac Metals Hard Materials 42 (2014) 193. [97] J. Matejícek et al., Fusion Eng Des. 100 (2015) 364.
[98] R. Liu et al., J. Nucl Mater. 431 (2012) 196.
Magdalena GALATANU
43
[99] J. Song J.et al., J. Nucl. Mater.442 (2013) S208.
[100] M. Rieth et al., J. Nucl. Mater. 442 (2013) S173.
[101] D. Stork et al., J Nucl Mater. 455 (2014) 277. [102] J. Kim et al., Nanostructured Materials 10 (1998) 283.
[103] B. Sun.et al., Int. J Refrac Metals and Hard Materials 45 (2014) 76.
[104] Z. Xiaoyong et al., Rare Metal Mater Eng. 44 (2015) 2661. [105] A. Elsayed et al., J. Alloys Comp 639 (2015) 373.
[106] X.L. Shi et al., Materials Characterization 60.(2009) 133.
[107] L. Zhang et al., J. Alloys Comp. 588 (2014) 49. [108] D. Edwards et al., Phil. Mag: 92 (2012) 4151.
[109] J.L. Johnson et al., Metall Mat. Transactions A. 36A (2005) 1565.
[110] J.L. Johnson et al., Metall Mat. Transactions A. 36A (2005) 2814. [111] L. Xu et al., J. Alloys Comp. 592 (2014 ) 202.
[112] M. Richou et al., Fusion Engineering and Design 124 (2017) 338.
[113] Y. Itoh et al., Fus Eng Des 31 (1996) 279. [114] L. Duan et al., Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials 46 (2014) 96.
[115] Y.J. Lee et al., Materia Lett 60. (2006) 2000.
[116] M. Galatanu et al., Mater. Res. Express 5 (2018) 026502 [117] M. Galatanu et al., Fusion Eng. Des. 124 (2017) 1131.
[118] M. Galatanu et al., Fusion Eng. Des. 127 (2018) 179.
[119] T.H.J. Squire, J. Marschall, J. Eur. Ceram. Soc. 30 (2010) 2239–2251. [120] G. Pulciet al., J. Therm. Spray Technol. 20 (2011) 139.
[121] S.Dimitriu et al., Adv. Mater. Res. 1114 (2015) 190.
[122] D. Maisonnier, et al., Nucl. Fusion 47 (2007) 1524. [123] T.R. Barrett, et al., Fusion Eng. Des. 98–99 (2015) 1216.
[124] N. Baluc, et al., Nucl. Fusion 47 (2007) S696.
[125] K. Sugiyama, et al., Nucl. Fusion 50 (2010) 035001. [126] W. Shen, et al., Fusion Sci. Technol. 66 (2014) 260.
[127] G. Pintsuk, et al., Fusion Eng. Des. 66–68 (2003) 237.
[128] Z. Zhou, et al., J. Nucl. Mater. 363–365 (2007) 1309. [129] J.H. You, et al., J. Nucl. Mater. 438 (2013) 1.
[130] M. Schöbel, et al., J. Nucl. Mater. 409 (2011) 225.
[131] T Hirai et al. Physica Scripta T159 (2014) 014006. [132] J.H. You et al, Fus. Eng. Des. 109–111 (2016) 1598.
[133] M. W. Thompson , Philosophical Magazine 51 (1960) 278.
[134] F. Ferroni et al., Acta Materialia 90 (2015) 380. [135] S.L. Wen et al., Fus. Eng. Des. 109 (2016) 569.
[136] M. Galatanu et al., SOFT 2018 paper, trimisa spre publicare la Fus. Eng. Design
Studii asupra materialelor compozite avansate destinate reactoarelor de fuziune nucleara
44
Articole si prezentari proprii in domeniul tezei de doctorat:
Articole ISI:
“Cracks and nanodroplets produced on tungsten surface samples bydense plasma jets”
C.M. Ticos, M. Galatanu, A. Galatanu, C. Luculescu, A. Scurtu, N. Udrea, D. Ticos, M.
Dumitru, App. Surf. Sci. 434 (2018) 1122.
“Thermophysical properties of Cu-ZrO2 composites as potential thermal barrier materials for a
DEMO W-monoblock divertor”
M. Galatanu, M. Enculescu, A. Galatanu, Fus. Eng. Des. 127 (2018) 179.
“High temperature thermo-physical properties of SPS-edW-Cu functional gradient materials “
M. Galatanu, M. Enculescu, A. Galatanu, Mater. Res. Express 5 (2010) 026502.
“Thermal conductivity and diffusivity of Cu-Y alloys produced bydifferent powder metallurgy
routes”
G. Carro, A. Munoz, M.A. Monge, B. Savoini, A. Galatanu, M. Galatanu, R. Pareja
Fus. Eng. Des. 124 (2017) 1156.
“Cu-based composites as thermal barrier materials in DEMO divertor components“
M. Galatanu, M. Enculescu, G. Ruiu, B. Popescu, A. Galatanu,
Fus. Eng. Des. 124 (2017) 1131.
"Direct sintering of SiC-W composites with enhanced thermal conductivity“
M. Galatanu, B. Popescu, M. Enculescu, I. Tiseanu, T. Craciunescu, A. Galatanu,
Fus. Eng. Des. 88, p. 2598-2602, (2013)
Trimise recent la publicare:
“Thermophysical and mechanical properties of W-Cu laminates produced by FAST joining”
A. Galatanu, M. Galatanu, M. Enculescu, J. Reiser, S. Sickinger, SOFT 2018 paper, trimisa la
Fus. Eng. Des.
“Development of W-monoblock divertor components with included thermal barrier interfaces”
M. Galatanu, M. Cioca, A. Ighigeanu, G. Ruiu, M. Enculescu, B. Popescu, A. Galatanu
SOFT 2018 paper, acceptata (corectii minore) la Fus. Eng. Des.
Prezentari orale la conferinte:
“Morphology and thermo-physical properties of SPS-ed SiC ceramics and composites”
M. Galatanu, M. Enculescu, S. Cretu, A. Galatanu
keynote: Annual Intenational Conference ROMPHYSCHEM 2016 (September 21-24, 2016,
Galati, Romania)
“W-metal laminates: using W paradox to develop W based structural materials by FAST”
M .Galatanu, M. Enculescu, G. Ruiu, A. Galatanu
EURATOM-FUSION RU Day, May 14th, 2015
“Thermal properties of micro- and nano- structured W-Cu functional gradient materials”
M. Galatanu, M. Enculescu, A. Galatanu
“The 25th Symposium on Thermal Analysis and Calorimetry–Eugen SEGAL” (April 15th,
2016, Bucharest, Romania)
Postere:
Magdalena GALATANU
45
“Light as a tool for investigation of materials for energy: Laser Flash Analyses”
M. Galatanu, S. Cretu, G. Ruiu, M. Enculescu, A. Galatanu
“Lights of the world” conference 30.10 – 1.11.2015, Bucharest, Romania
“Tungsten based composite materials obtained by Spark Plasma Sintering as possible armour
materials for fusion reactors”
M. Galatanu, M. Enculescu, A. Galatanu
at IBWAP 2016 (July 7-9, 2016, Constanta, Romania)
“Cu-based composites as thermal barrier materials in DEMO divertor components”
M. Galatanu, M. Enculescu, G. Ruiu, B. Popescu, A. Galatanu
at SOFT 2016, 29th Symposium on Fusion Technology, (September 5-9, 2016, Prague, Czech
Republic)
“Functional interfaces in W-Ti and W-V laminates”
M. Galatanu, M Enculescu, G. Ruiu, C. Stancu, G. Dinescu, A. Galatanu,
at IBWAP 2017, Constanta, Romania, July 11-14, 2017
“Thermophysical properties of W based plasma facing materials for fusion reactors”
M. Galatanu, M. Enculescu, G. Ruiu, A. Galatanu
“17th Conference on Plasma Physics and Applications“, Magurele, Romania, June 15-20, 2017
“Thermal barriers for DEMO W-monoblock divertor”
M. Galatanu, M. Enculescu, G. Ruiu, B. Popescu, A. Galatanu
“16th International Conference on Plasma-Facing Materials and Fusion Applications“,
Duesseldorf/Neuss, Germany, May 15-19, 2017
“Development of W-monoblock divertor components with included thermal barrier interfaces”
M. Galatanu, M. Cioca, A. Ighigeanu, G. Ruiu, M. Enculescu, B. Popescu, A. Galatanu
SOFT 2018 paper, submitted to Fus.Eng. Des.
Co –autor la materiale prezentate la conferinte (alt prezentator): 11
Premii:
M. Galatanu, M. Enculescu, M. Cioca, A. Galatanu, GOLD MEDAL and Diploma of
Excellence pentru “Tehnologie SPS pentru realizarea de componente W-Cu ale divertor-ului
reactorului de fuziune de tip ITER”, ed. XIII International Inventics Salon PRO INVENT, Cluj
Napoca, 25-27.03 2015
M. Galatanu, G. Ruiu, S. Cretu, M. Enculescu, A. Galatanu, GOLD MEDAL and Diploma of
Excellence pentru “Multi-metal, multi-ceramic stratified composite” ed. XIV International
Inventics Salon PRO INVENT, Cluj-Napoca 2016
M. Galatanu, G. Ruiu, M. Enculescu, A. Galatanu GOLD MEDAL and Diploma of Excellence
pentru “Metallic Cu-based thermal barriers with insulator like thermal conductibility” ed. XV
International Inventics Salon PRO INVENT, Cluj-Napoca 2017
M. Galatanu, G. Ruiu, M. Enculescu, A. Galatanu GOLD MEDAL pentru “Metallic Cu-based
thermal barriers with insulator like thermal conductibility” European Exhibition of Creativity
and Innovation EUROINVENT, Iasi, 2017