Manufatura Aditiva de Tungsténio para o Aplicações de Fusão

O projeto tem como objetivo a investigação de estratégias de manufatura aditiva que permitam a criação de componentes em tungsténio com geometria complexa e compatíveis com a sua aplicação em fusão nuclear. O projeto culminará com a produção de uma antena de refletometria de microondas para o DEMO (e respetiva comparação com dados de simulação eletromagnética gerados no software CST) e com a elaboração de um manual para manufatura aditiva de componentes em tungsténio. O consórcio pretende: 1) Ultrapassar os desafios complexos de materiais e design na tecnologia de fusão nuclear, nomeadamente geometrias intrincadas e propriedades de material (ponto de fusão extremamente elevado; baixo rendimento de sputtering; elevada condutividade térmica; baixa retenção de trítio e resistência a danos por radiação); 2) Ultrapassar as limitações do tungsténio em contexto de fusão: - Fragilidade a baixas temperaturas: Pode tornar-se quebradiço à temperatura ambiente, o que pode levar à fissuração durante ciclos térmicos; - Dificuldades de fabrico: A sua dureza e ponto de fusão elevado tornam-no difícil de maquinar por métodos convencionais — aqui, a manufatura aditiva representa uma mudança fundamental; - Sensibilidade à oxidação: Pode oxidar rapidamente a altas temperaturas na presença de oxigénio, o que representa um risco em caso de fugas de ar. 3) Ultrapassar o desafio de produção de tungsténio maciço, sem defeitos, com mínima deformação dimensional e densificação ideal. O projeto pretende produzir componentes em tungsténio por Laser Powder Bed Fusion, camada por camada, com baixa porosidade, baixa taxa de defeitos e com propriedades térmicas e mecânicas adequadas para o seu funcionamento no reactor de fusão nuclear. A abordagem proposta é inovadora e pretende resolver os principais desafios da produção de tungsténio por LPBF: a fissuração a quente, a estabilidade dimensional e a elevada rugosidade superficial. Pretende-se otimizar o processo LPBF para a produção direta de componentes em tungsténio puro, com elevada densidade, baixa presença de fissuração, microestrutura controlada e boa precisão geométrica. Os objetivos SMART são detalhados da forma seguinte: - S(pecific): Otimizar os parâmetros do processo LPBF (potência do laser, velocidade e estratégia de varrimento, overlapping, temperatura do banho de fusão e controlo da atmosfera protetora) para produzir provetes de tungstênio puro com densidade relativa superior a 98% e fissuração inferior a 10 mm/cm2 de superfície; - M(easurable): A avaliação terá por base um conjunto de métricas quantitativas: • Densidade relativa, medida pelo princípio de Arquimedes; • Fissuração, quantificada por análise de imagem obtida por microscopia ótica e eletrónica de varrimento (SEM); • Porosidade, avaliada por análise de imagem; • Rugosidade superficial, medida por perfilometria ou perfilometria ótica; • Precisão dimensional, avaliada por metrologia por coordenadas (CMM). - A(chievable): • Otimização baseada em estudos paramétricos sistemáticos, recorrendo a planeamento de experiências (DOE); • Modelação computacional para prever o comportamento do processo e orientar a seleção de parâmetros; • Utilizar pós de tungsténio de alta qualidade com distribuição de tamanho de partícula e morfologia otimizadas; • Implementar estratégias de varrimento inovadoras, como varrimento adaptativo ou de exposição variável. - R(elevant): Aplicação do tungsténio impresso por LPBF em indústrias que exigem componentes de elevado desempenho (neste caso, aplicação em fusão nuclear) ao eliminar a necessidade de etapas de processamento caras e demoradas. - T(ime-bound): • Fase 1 (otimização do processo): Concluir a otimização dos parâmetros do processo e demonstrar a viabilidade de atingir as metas de densidade e fissuração em provetes em 29 meses. • Fase 2 (Validação da Geometria Complexa): Validar os parâmetros otimizados na produção de componentes de tungstênio puro com geometrias complexas, num período adicional de 6 meses. Os elementos do consórcio pretendem posicionar-se como intervenientes estratégicos no panorama mundial da energia de fusão, demonstrando como avanços focados na tecnologia de fabrico podem garantir um papel relevante num setor em rápida evolução com potencial para revolucionar a geração energética global.