ABD’de Nükleer Füzyon ve Aşırı Ortam Malzemeleri İçin Kritik Sistem Geliştiriliyor

Amerika Birleşik Devletleri’nde (ABD) bulunan araştırmacılar, gaz türbinleri ve nükleer füzyon sistemleri gibi aşırı ortam uygulamaları için malzemelerin geliştirilmesine yardımcı olacak yeni bir yüksek sıcaklığa dayanıklı metal tozu atomizasyon sistemi geliştiriyor. Ames Lab bilim insanı Jordan Tiarks, “Ames Lab’in diğer yerlerin üretemediği özel tozlar üretme konusunda uzun bir geçmişi var” dedi.

Tiarks, “Bu sistem, o temele dayanıyor ancak bizi daha önce ulaşılması zor olan yeni sıcaklık ve malzeme rejimlerine taşıyor” şeklinde konuştu.

Araştırma ekibi ayrıca, metal tozlarının Amerikan sanayisi için kritik öneme sahip olduğunu vurguladı. Bu tozlar, geleneksel yöntemlerle üretilmesi zor veya imkansız olan karmaşık bileşenlerin ve özel alaşımların hassas bir şekilde üretilmesini sağlıyor. Yeni sistem, ülkenin yüksek erime sıcaklığına sahip alaşımlar için tozu tedarik etme konusundaki kritik bir boşluğu dolduruyor.

Yeni sistem, dakikada 1 kilograma kadar üretim hızlarıyla 3400°C’ye kadar sıcaklıklarda malzeme işleyebiliyor. Bu yetenekler, araştırmacıların aşırı ortamlara uygun yeni malzemelerin geliştirilmesi, test edilmesi ve ölçeklenmesi için gereken miktarlarda tozu üretmelerini sağlıyor, böylece bu malzemelerin ABD sanayisi tarafından benimsenmesinin hızlanmasına yardımcı oluyor according to bir basın açıklaması.

Mevcut durumda, kara tabanlı ve havacılık gaz türbinleri nikel veya kobalt bazlı süperalaşımlardan üretiliyor. Bu türbinler, optimum verimlilik için gereken aşırı yüksek sıcaklıklarda çalışabilmek için karmaşık soğutma sistemlerine ve pahalı termal bariyer coatingslere ihtiyaç duyuyor. Performansı artırmak ve soğutma gereksinimlerini azaltmak için araştırmacılar, aşırı sıcaklık koşullarına dayanabilecek yeni alaşımlar üzerinde çalışıyor.

Tiarks, “Takımlar harika fikirler ortaya koyuyordu, ancak test etmek için gereken tozları temin etmede bir yılın üzerinde bekleme süreleriyle karşılaşıyorlardı” dedi.

ARPA-E, sadece yeni alaşımların değil, aynı zamanda araştırma ve geliştirme için yüksek kaliteli alaşım tozlarının yeterli miktarlarda üretilebilmesini sağlayacak ekipmanların da eksik olduğunu fark etti. Ames Lab, uzun yıllardır yüksek seviyede metalürji çalışmaları yaptığı için bu yeteneği geliştirmek için doğal bir yerdi.”

Araştırma ekibi ayrıca, Ames Lab’deki yeni sistemin bu sınırlamayı, aktarılan ark plazma işlemi kullanarak aştığını belirtti. Bu sistemde, özel olarak üretilmiş bir elektrot gerektiren geleneksel yöntemlerin aksine, yüksek enerjili bir plazma kullanılarak besleme malzemesi yerel olarak eritiliyor. Bu işlemin beslemesi, çubuklar ve parçalar dahil olmak üzere herhangi bir fiziksel formda olabilir, yeter ki malzemenin bileşimi tutarlı olsun. Eritme işlemi, suyla soğutulmuş bir bakır fırında gerçekleşiyor. Bu sayede, erimiş malzemenin dış katmanı, bakıra karşı donarak ince bir katman oluşturuyor. Bu katman ( “skull” olarak adlandırılır), aşırı sıcak erimiş malzemeyi ve soğuk bakırı birbirinden ayırarak koruyucu bir bariyer görevi görüyor.

Prosesin önemli bir diğer yönü de, her seferinde sadece küçük bir hacim malzemenin eritilmesi. Tiarks, “Yerel eritme bize iki büyük avantaj sağlıyor” dedi.

“İlk olarak, daha güvenli; herhangi bir sorun yaşanması durumunda, yönetilmesi gereken devasa miktarda 3400 derecelik metal yok. İkinci olarak, malzeme yüksek sıcaklıkta daha az süre kaldığı için saflığın korunmasına ve reaktivitenin kontrol edilmesine yardımcı oluyor.”

Ames Lab’deki bu özel amaçlı atomizasyon sistemi, laboratuvarın daha düşük sıcaklıklarda işlenebilen alaşımlar için kullanılan mevcut indüksiyonlu ve yakın kuplajlı atomizörlere ek olarak, yüksek sıcaklıkta malzemelerin üretimi konusunda yeteneklerini genişletiyor. Basın açıklamasında belirtildiği gibi, bu sistemler optimum parçacık boyutu aralığında %50-60 verim sağlarken, özel amaçlı atomizasyon sistemi genellikle yüksek sıcaklık alaşımları için %10-20 verim sağlıyor.