Capitolo 1 introduzione
CAPITOLO 1
INTRODUZIONE
Il presente lavoro si prefigge l’obiettivo di caratterizzare gli acciai martensitici a bassa attivazione,denominati BATMAN e F82H. Quest’ultimo è indicato come uno dei principali materiali candidati per la costruzione della prima parete e del mantello in reattori a fusione nucleare.I materiali presentano una buona stabilità dimensionale sotto forti radiazioni,di tipo neutronico, e la loro composizione ne permette una produzione commerciale,che non richiede grossi investimenti[1].
Lo studio si propone di analizzare l’interazione tra gli acciai detti e l’idrogeno. L’idrogeno,e i suoi isotopi sono,infatti,presenti in varie forme durante i processi di fusione nucleare,e responsabile di danneggiamenti e rotture dello stesso.In particolare si cercherà di valutarne la diffusione all’interno del reticolo e nelle trappole,siti di allocazione preferenziali per l’idrogeno,presenti nella struttura del materiale.Ricordiamo che la diffusione è causa di danneggiamento,inteso come infragilimento, rigonfiamento e formazione di bolle superficiali,mentre l’idrogeno intrappolato in alcuni tipi di siti può essere causa di vere e proprie rotture improvvise.Inoltre saranno calcolati altri parametri legati all’azione dell’idrogeno sull’acciaio,tra questi spiccano la solubilità,la permeabilità valutate in campi di temperature tra i 300° e 600°C,ovvero in campi di temperature in cui il materiale di prima parete e mantello si vengono a trovare durante un regolare funzionamento di un reattore a fusione. A tal proposito si ricorda che l’F82H è anche dotato di un basso coefficiente di espansione termica(a 400°C 11.5*10-6K-1[1]) e di un alto valore di conducibilità termica[2](a 400°C 32.5 W/(m*K)[1]),che ne rendono più agevole l’applicazione in quegli intervalli di temperature. Le prove condotte sono la permeazione di idrogeno ad alte temperature(solo per l’acciaio F82H) e il
desorbimento termico a temperature programmate.
Molti studi sono stati condotti in passato per realizzare e caratterizzare materiali idonei a questo tipo di applicazione,il primo,tra questi,fu il 9Cr-Mo,inadatto allo scopo a causa della presenza di alti tenori di elementi come Nb e lo stesso Mo ad alta attivazione,ovvero particolarmente suscettibili a flussi neutronici, con conseguenti problemi di rigonfiamento annessi,e con lunghi tempi di decadimento radioattivo,dannosi per l’ambiente e per l’uomo,ovviamente,allorquando tali leghe vengono dismesse dall’impianto.Per un reattore a fusione nucleare,in particolare,è preferibile che il materiale scenda al di sotto del suo tasso di radioattività naturale entro i 100 anni dalla sua rimozione dall’impianto,in modo da poter essere anche riciclato per altre applicazioni.Il Mo,ad esempio,vede un’iniziale rapida caduta della sua radioattività,per poi mantenersi ad un alto valore di essa per lunghissimi tempi(fino a 1 milione di anni).Tali elementi si trovano all’interno della struttura dell’acciaio,che funge da prima parete,e possono venire a contatto con il plasma,inquinandolo,ed,in particolare, determinandone una maggiore perdita di energia.
Nel plasma avviene la reazione tra Deuterio e Trizio,isotopi dell’idrogeno,l’uno naturale(presente nell’elemento idrogeno allo 0,0015%),l’altro artificiale e radioattivo,secondo lo schema alla pagina seguente[3]:
Capitolo 1 introduzione
figura 1.1 schema della reazione di fusione nucleare
Tale reazione è fonte del flusso neutronico alla prima parete,utile alla trasmissione dell’energia,ma anche dannoso a causa di una serie di fenomeni,che andremo ad approfondire successivamente,che sollecitano severamente l’acciaio,sia da un punto di vista termico che meccanico;le particelle α,nuclei di elio,invece,rimangono nel plasma e ne contribuiscono,con la loro energia,al mantenimento delle alte temperature .La fusione nucleare sfrutta l’energia che si libera quando i nuclei leggeri si fondono insieme in nuclei più pesanti,il nucleo prodotto è lievemente più leggero dell'insieme dei due nuclei di partenza, e la differenza di massa (detta difetto di massa) si trasforma in energia,secondo la nota relazione di Einstein(E=mc2); essa è pari a 17.58 MeV,ed è suddivisa in due termini,il primo dei quali,legato al flusso neutronico,ha valore di 14 Mev, il secondo,invece,relativo all’elio prodotto,raggiunge 3.58 MeV.
Per rendere possibile il contatto tra i nuclei delle specie reagenti,che in condizioni normali tendono a respingersi,a causa di repulsioni di natura Coulombiana, occorre portare il sistema a notevoli temperature fino a 105-106 K.
Il trizio è radioattivo,ed inoltre deve essere generato internamente al reattore,data la sua scarsa reperibilità in natura.Ciò avviene tramite la reazione tra neutroni e litio,contenuto all’interno del mantello,detto appunto triziogeno.
Altri problemi,che l’acciaio,oggetto del presente studio, deve affrontare,riguardano problemi legati alla corrosione ad opera del fluido refrigerante,acqua o elio. Inoltre,in caso di utilizzo di acqua,come fluido di processo,occorre far fronte anche alla radiolisi della stessa,indotta da radiazioni γ, provocate dall’interazione plasma parete. Quest’ultima, come del resto la corrosione,saranno limitate da una deliberata aggiunta di idrogeno,come vedremo in seguito.
Gli acciai martensitici BATMAN e F82H nascono,dunque, da una modifica, del materiale illustrato prima, consistente in una drastica riduzione del tenore di Mo e Nb(quest’ultimo non può superare 1 wppm nell’F82H), lasciando, comunque,invariati i processi di trattamento termico di preparazione del materiale, e mantenendo proprietà meccaniche analoghe,se non superiori, come avremo modo di illustrare successivamente.
