Come la modellazione digitale dei materiali renderà possibile la prossima generazione di energia nucleare

Una rivoluzione è in corso nel settore dell'energia nucleare. Per la prima volta da decenni, il settore è pieno di urgenza, ambizione e capitali. Sostenuto dalla crescente domanda di energia, dalla ricalibrazione geopolitica e dalle pressioni climatiche, l'energia nucleare sta vivendo una rinascita, che sarà guidata non solo dai progetti di reattori di nuova generazione, ma anche dai materiali che li renderanno possibili.

Dalle startup private di fusione ai microreattori a fissione avanzati, un ostacolo comune si frappone al progresso: i materiali. I materiali su cui l'industria ha fatto affidamento per decenni non sono all'altezza del compito da svolgere. Sono necessari nuovi materiali, in grado di resistere a calore intenso, bombardamento di neutroni, corrosione e stress meccanico, spesso contemporaneamente. La collaborazione tra Stati Uniti e Regno Unito per i test sui materiali nucleari, recentemente annunciata, sottolinea quanto questa sfida sia diventata urgente e globale. E con i tempi di implementazione che si accelerano, la necessità non è solo di materiali migliori, ma di renderli pronti ora.

È qui che la modellazione digitale basata sulla fisica e l'ingegneria computazionale integrata dei materiali (ICME) diventano essenziali. Queste tecnologie ci consentono di simulare il comportamento delle nuove leghe in condizioni di reattore prima di impegnarci in programmi sperimentali costosi e dispendiosi in termini di tempo. Ci aiutano a testare le prestazioni in ambienti che spingono i limiti di ciò che è fisicamente possibile. E rendono possibile progettare, ottimizzare e scalare nuovi materiali con una velocità mai vista prima.

Un nuovo panorama, una nuova serie di richieste

I reattori a fusione più avanzati attualmente in costruzione, come il tokamak SPARC della Commonwealth Fusion Systems (Figura 1), operano a condizioni mai viste prima in contesti industriali. All'interno di questi dispositivi, il plasma raggiunge temperature superiori a quelle del nucleo solare. I componenti circostanti devono gestire gradienti che passano da criogenici a incandescenti in pochi centimetri. Nel frattempo, potenti magneti superconduttori generano intensi campi elettromagnetici per mantenere tutto confinato.

Queste operazioni richiedono fusioni strutturali delle dimensioni di piccoli edifici, piastre di tungsteno a contatto con il plasma e superconduttori che operano al limite dello zero assoluto. Ciascuno di questi componenti richiede materiali in grado di resistere a temperature estreme, radiazioni, stress e corrosione.

Per quanto riguarda la fissione, le startup di reattori modulari stanno costruendo unità compatte e trasportabili che utilizzano il raffreddamento a sali fusi o a gas al posto dell'acqua. Questi progetti promettono maggiore sicurezza ed efficienza, ma introducono anche insolite sfide in termini di reattività chimica e corrosione. Ancora una volta, i materiali sono il fattore decisivo.

Modellare l'impossibile

In QuesTek Innovations, abbiamo visto queste esigenze concretizzarsi in tempo reale. Che si tratti di migliorare la duttilità del tungsteno per poterlo laminare in geometrie adatte alla fusione, di modellare il modo in cui i neutroni danneggiano i materiali nel tempo o di aiutare i produttori a esplorare nuove leghe a base di vanadio, lavoriamo all'avanguardia tra ciò che è noto e ciò che è possibile.

Il vanadio ne è un esempio perfetto. Studiate a lungo ma raramente impiegate, le leghe di vanadio si dimostrano promettenti per l'uso strutturale in applicazioni nucleari grazie alla loro eccezionale resistenza alle radiazioni. Tuttavia, trasferirle su larga scala dai campioni di laboratorio ai componenti dei reattori non è semplice. Le leghe di vanadio sono poco note alla maggior parte dei produttori commerciali e la loro lavorazione richiede un'attenta analisi di fusione, forgiatura e controllo delle impurità. La modellazione ci aiuta a colmare queste lacune conoscitive, prevedendo le proprietà, guidando i parametri di produzione e accelerando la qualificazione.

Questi non sono problemi ipotetici. Commonwealth, Pacific Fusion e altre startup nucleari in rapida crescita stanno ottenendo miliardi di investimenti privati. Stanno spingendo al limite le prestazioni dei materiali, così come le tempistiche. Non possono permettersi cicli iterativi pluriennali di progettazione, test e revisione. Hanno bisogno di informazioni predittive.

Completare i test, non sostituirli

È importante dirlo: la modellazione non consiste nell'evitare i test. Si tratta di rendere i test più intelligenti. I programmi sperimentali sono essenziali per convalidare le prestazioni dei materiali, soprattutto in applicazioni critiche per la sicurezza come il nucleare. Ma i soli test fisici sono lenti e costosi, soprattutto quando richiedono la costruzione di strutture specializzate o l'irradiazione di campioni per mesi o anni. La modellazione ci consente di isolare le variabili, selezionare le leghe candidate e prevedere i guasti prima di impegnarci in tali programmi.

In molti casi, la modellazione è l'unico modo praticabile per ottenere informazioni preliminari su ambienti estremi. Le simulazioni ad alta fedeltà possono prevedere il comportamento di un materiale a temperature elevate e in presenza di un elevato flusso di neutroni, anche se non esiste ancora una struttura in grado di ricreare esattamente quello scenario. Questa capacità di "guardare oltre l'angolo" è preziosa per orientare gli investimenti e ridurre il profilo di rischio della ricerca e sviluppo.

I test fisici rimangono indispensabili. Tuttavia, poiché i programmi nucleari, pubblici e privati, si stanno impegnando per rispettare scadenze ambiziose, l'integrazione di metodi digitali e sperimentali sarà essenziale. Il successo dei futuri reattori dipenderà tanto dallo sviluppo strategico di materiali avanzati quanto dalla progettazione stessa.

— Jason Sebastian è vicepresidente esecutivo delle operazioni di mercato presso QuesTek Innovations LLC , un'azienda pionieristica nell'ingegneria dei materiali che supporta gli innovatori risolvendo le sfide legate ai materiali.