Desarrollo de uniones estructurales mediante soldadura fuerte de W-Eurofer y W-W para el futuro reactor de fusión nuclear DEMO

Abstract

El aumento de población y de desarrollo tecnológico experimentado por el ser humano y, especialmente por los países en vías de desarrollo, permite establecer un horizonte donde en las próximas décadas se establezca un considerable aumento de la demanda de consumo eléctrico a nivel mundial. Las fuentes de enrgías tradicionales, como los combustibles fosiles, aunque aun fuertemente vigentes, deben ser sustituidas por fuentes de energía alternativas para dar lugar a un desarrollo sostenible, donde los cada vez más frecuentes episodios de contaminación no tengan lugar. Actualmente, las fuentes de energía alternativas o renovables suponen un mix de tecnologías que a día de hoy aportan en torno a un 20 % del consumo en paises desarrollados, siendo este valor inferior en los países en vías de desarrollo. Es, por tanto, necesario el desarrollo de nuevas fuentes de energía renovables que den respuesta a este desafio. Dichas fuentes deben ser fiables, renovables, de tecnología probada y económicamente viables. En este escenario la energía nuclear de fusión aparece como fuente de energía alternativa que puede ayudar a solucionar el problema planteado. En un reactor de fusión los átomos de deuterio y tritio se unen para dar helio, neutrones y una considerable cantidad de energía, haciendo de ésta la la fuente con una mayor densidad energética conocida. Sin embargo, la tecnología que debe hacer funcionar dichos reactores esta aun en vías de desarrollo, siendo ITER el primer reactor que debe demostrar la viabilidad de esta tecnología. Más adelante, otro reactor denominado DEMO debe demostrar su viabilidad a escala semi-industrial. Dentro del punto de vista de la ingeniería de materiales las condiciones que se desarrollan en el interior del reactor suponen un gran desafío para su desarrollo tecnológico. Temperaturas supoerficiales de la primera pared de más de 1000 ºC, spputering químico y físico, alto flujo de irradiación neutrónica son algunos de los principales fenómenos que se darán en el interior del rector y que los materiales deben sportar. Dos de los materiales seleccionados para el desarrollo del reactor son el wolframio y el Eurofer. El primero de ellos, se utilizará como material que se enfrenta al plasma debido a su alto punto de fusión, resistencia al spputering y buena conductividad térmica, entre otros aspectos. El segundo de ellos, se trata de un acero ferrítico-martensítico de activación reducida que será usado como material estructural debido a sus buenas propiedades de termofluencia, resistencia al daño neutrónico y buena conductividad térmica respecto a los aceros austeníticos. El actual diseño del reactor DEMO incluye algunos componentes donde ambos materiales tienen que unirse, como es el caso de la primera pared, u otros, como es el caso del divertor, donde dos componentes de wolframio se deben unir. Es, por tanto, necesario el desarrollo de tecnolgias de uniones entre W-Eurofer y W-W tipo que cumplan con los requisitos exigidos a estos materiales y uniones. El método elegido de unión es la soldadura fuerte en alto vacío ya que permite unir componentes mediante la introducción de una fase metálica de menor punto de fusión que los materiales base, dando lugar a una menor afectación térmica de éstos. Los aportes utilizados para tal fin consitían en mezclas de polvos metálicos puros con un ligante polimerico que tenía la función matener los polvos cohesionados para que, tras la laminación de la mezcla, se optuvieran cintas flexibles de aproximadamente 250 ¿m de espesor. Este método de fabricación permite la obtención de aportes flexibles capaces de adapatarse a las diferentes geometrías de los componentes destinados a unirse y, junto con las aleaciones de aporte seleccionadas para cada tipo de unión, han dado lugar al desarrollo de dos patentes internacionales. En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo el desarrollo de dichas uniones siguiendo una estructura lógica de desarrollo que pasa por: 1) la selección del aporte para cada tipo de unión; 2) la caracterización microestructural y mecánica de las uniones soldadas; 3) una vez seleccionada la composición del aporte más adecuada se optimizaron los parámetros de soldeo; 4) posteriormente se realizó una caracterización mas en profundidad la soldadura y 5) se realizaron ensayos de las uniones en condiciones simuladas de servicio. La aleación de aporte selecionada como la más óptima para uniones por soldadura fuerte de W-Eurofer de la primera pared del reactor fue 80Cu-20Ti (Ts = 910 ºC), con una proporción polvo metálico/ligante de 95/5 en peso, descartando otras composiciones binarias y ternarias debido a que no cumplían los requisitos térmicos, mecánicos y de activación neutrónica necesarios para este tipo de uniones. Las uniones realizadas utilizando dichos aportes se soldaban a 960 ºC durante 10 minutos y mostraban una alta continuidad metálica a lo largo de la intercara de unión. La soldadura estaba formada por una matriz de cobre donde se observan la formacion de fases ternarias de composición Cu-Ti-Fe. Las resistencias a cizalla obtenidas fueron de 139 MPa. Los ensayos de simulación en condiciones de operación permitieron identificar temperatura una superficial en el W de 400 ºC, equivalente a un flujo térmico de aproximadamente 2 MW/m2, como ubral de condiciones reales donde la unión no se ve degrada. Por otro lado, los mayores requerimientos térmicos de las uniones W-W dieron como resultado la selección de una aleación de aporte de mayor punto de fusión (Ts = 1300 ºC) de composición 86Fe-14Ti, descartando en el transcurso de las investigaciones otras composiciones probadas. En este caso la proprcion de polvo metálico/lígante usada fue de 90/10 debido a que los mayores requerimientos de flexibilidad por parte de la cinta flexible par aunir los componentes curvos del divertor. Las soldaduras llevadas a cabo a 1350 ºC durante 10 min estaban constituidadas por una microestructura eutéctica de ¿-Fe y Fe2Ti y la formación de una zona de interdifusion de 25 ¿m en ambas intercaras dando lugar a una resistencia a cizalla de 44 MPa. En este caso la temperatura superficial máxima de utilización en condiciones reales se estabeción en 1000 ºC.