Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
La stampa 3D del tungsteno potrebbe contribuire a superare uno degli ostacoli tecnologici più importanti nello sviluppo della fusione nucleare: la realizzazione di materiali capaci di resistere alle condizioni estreme all’interno dei reattori. Una dimostrazione condotta negli USA ha portato alla sperimentazione di piastrelle in tungsteno prodotte con tecniche additive, che hanno superato 74 intense scariche di plasma senza riportare danni.
Il test è stato effettuato presso la struttura DIII-D National Fusion Facility di San Diego e ha fornito nuove indicazioni sulla possibilità di utilizzare componenti stampati in 3D nelle future centrali a fusione.
Stampa 3D del tungsteno, una nuova strada per la fusione nucleare
Il tungsteno è considerato uno dei materiali più promettenti per rivestire le pareti interne dei futuri reattori a fusione, compreso ITER. Il motivo è legato soprattutto alle sue proprietà fisiche: presenta un punto di fusione di 3.422 gradi Celsius, il più elevato tra tutti i metalli, e può quindi sopportare condizioni termiche particolarmente impegnative.
La sua lavorazione, tuttavia, ha sempre rappresentato una sfida per gli ingegneri. Al di sotto dei 600 gradi Celsius, infatti, il tungsteno diventa fragile e può rompersi facilmente quando sottoposto a sollecitazioni meccaniche. Anche i precedenti tentativi di stampa 3D, realizzati prevalentemente utilizzando laser come fonte di calore, avevano prodotto componenti caratterizzati da porosità e crepe.
Il nuovo esperimento ha dimostrato che è possibile superare queste difficoltà e realizzare componenti di dimensioni adatte alle applicazioni industriali.
La tecnologia a fascio elettronico per evitare le crepe
Per ottenere risultati migliori, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata electron-beam powder bed fusion (EB-PBF). Il processo sfrutta un fascio di elettroni ad alta velocità per fondere progressivamente la polvere di tungsteno, strato dopo strato, all’interno di una camera sottovuoto.
La particolarità del sistema consiste nella capacità di mantenere il materiale circostante a temperature superiori a 1.400 gradi Celsius, equivalenti a 2.552 gradi Fahrenheit, durante l’intero processo produttivo. In questo modo si evita che il metallo si raffreddi troppo rapidamente, riducendo il rischio di shock termici e delle conseguenti fratture.
La sperimentazione rappresenta un’evoluzione rispetto ai risultati ottenuti nel 2025, quando il gruppo di ricerca era riuscito a dimostrare la fattibilità della tecnica soltanto su campioni grandi quanto una moneta.
74 scariche di plasma per mettere alla prova le piastrelle
Il passaggio successivo consisteva nel realizzare componenti sufficientemente grandi da poter essere installati in un reattore sperimentale. Le nuove piastrelle dovevano raggiungere dimensioni di circa 140 millimetri di larghezza e 20 millimetri di spessore.
Il risultato è stato ottenuto grazie alla collaborazione tra North Carolina State University, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e l’azienda giapponese JEOL Ltd. Quest’ultima ha prodotto i componenti utilizzando una stampante di grande formato nel proprio stabilimento di Akishima, in Giappone. L’ORNL ha invece contribuito con le proprie competenze sui materiali per la fusione e con il finanziamento del progetto. L’intero passaggio alla produzione su scala maggiore è stato completato in appena otto mesi.
Le piastrelle sono successivamente rifinite e installate nel divertore del reattore DIII-D, una sezione destinata a gestire lo scarico delle particelle e dell’energia provenienti dal plasma. Durante tre giorni di sperimentazione hanno affrontato 74 scariche dirette di plasma, con circa quattro minuti complessivi di esposizione durante le operazioni ad alta potenza.
Particolarmente significativo è stato anche un incidente durante le prove: una piastrella tradizionale installata nelle vicinanze si è fusa, proiettando metallo liquido sui componenti stampati in 3D. Anche in questa circostanza, le superfici in tungsteno prodotte con la tecnica additiva hanno mantenuto la propria integrità.
La lavorazione finale prima dell’installazione nel reattore
Prima di essere utilizzate nel test, le piastrelle hanno richiesto ulteriori interventi di lavorazione presso la North Carolina State University. Gli ingegneri hanno realizzato i sistemi di fissaggio attraverso la lavorazione per elettroerosione, una tecnica che utilizza scariche elettriche e non introduce sollecitazioni meccaniche sul materiale.
Successivamente, una rettificatrice controllata da computer ha rimosso circa 250 micrometri dalla superficie, ottenendo una finitura simile a uno specchio, necessaria per adattare i componenti alle pareti curve del divertore. Le piastrelle sono state quindi montate su supporti in lega di rame e fissate all’interno del reattore per le prove effettuate a luglio.
Un ostacolo in meno verso le centrali a fusione commerciali
Il successo della sperimentazione rappresenta un risultato importante perché dimostra che la produzione additiva su grande formato può essere utilizzata per realizzare componenti in tungsteno robusti e privi di crepe, superando i limiti che avevano caratterizzato le precedenti tecniche di lavorazione.
La possibilità di produrre elementi di queste dimensioni amplia le prospettive per la progettazione dei futuri impianti e permette di raccogliere dati sperimentali sulla resistenza e sull’erosione dei materiali in condizioni effettivamente rilevanti per la fusione.
Come ha spiegato Florian Laggner, professore assistente e fisico del plasma presso il Dipartimento di Ingegneria Nucleare della North Carolina State University, la qualificazione di nuovi materiali e processi produttivi richiede proprio dati ottenuti in condizioni pertinenti alla fusione. L’esposizione del tungsteno prodotto con tecniche additive all’interno del DIII-D consente di raccogliere informazioni fondamentali sulla sua capacità di sopravvivere e sulla sua erosione.
Le prospettive della stampa 3D per i reattori di nuova generazione
Il risultato non significa che le centrali a fusione commerciali siano ormai pronte, ma dimostra che uno dei problemi legati alla produzione dei materiali necessari per costruirle può essere affrontato con soluzioni industriali concrete.
La possibilità di realizzare componenti in tungsteno su larga scala, mantenendo le caratteristiche necessarie per resistere alle sollecitazioni del plasma, rappresenta un passaggio significativo per progetti come ITER e per lo sviluppo di futuri impianti energetici. La stampa 3D esce così dalla dimensione dei piccoli campioni sperimentali e dimostra di poter produrre elementi destinati a essere utilizzati direttamente all’interno di un reattore a fusione.
Fonte: Interesting Engineering
