Desarrollo de sensores electroquímicos en estado sólido para la determinación de tritio y litio en metales fundidos

Abstract

Degut a l’augment de la demanda energètica mundial durant els últims anys i a la perspectiva que aquesta creixi al futur, existeixen, des de fa anys, múltiples vies de recerca centrades en millorar i augmentar la generació d’energia. Una de les alternatives als combustibles fòssils i a les energies renovables és la energia nuclear. Aquest font energètica pot provenir de dos processos: fissió i fusió. Ambdós processos inclouen reaccions en les que intervenen els nuclis dels àtoms. L’energia de fusió nuclear és una opció eficient i neta que pot ser molt prometedora como a futura font energètica. Existeixen diversos projectes destinats al desenvolupament d’aquesta tecnologia. Un dels més importants és ITER, on hi participen múltiples països i organitzacions. Un dels reptes d’ITER és el desenvolupament de l’embolcall regenerador que se situarà al voltant del plasma del reactor. És en aquesta zona del reactor on es recol·lectaran els neutrons emesos a la reacció de fusió per aprofitar la seva energia. A més, és una peça clau per a poder regenerar un dels combustibles utilitzats durant la reacció, el triti, un isòtop de l’hidrogen que no es troba a la natura i que haurà de ser generat en continu “in-situ”. La monitorització continua del contingut de triti dins de l’embolcall regenerador serà vital per a poder assegurar l’abastiment de combustible al plasma. Per això, es necessitaran dispositius capaços de quantificar aquest isòtop en les condicions químiques i de temperatura que existiran dins de l’embolcall regenerador. Ja que actualment no existeix cap dispositiu comercial que sigui capaç de realitzar aquesta tasca, un dels objectius principals d’aquesta Tesi doctoral és el de desenvolupar una tecnologia que permeti obtenir sensors útils per a aquest fi. Els sensors desenvolupats en aquesta Tesi doctoral incorporen electròlits en estat sòlid conductors de protó. Aquests electròlits, que estan constituïts per ceràmiques, presenten aquest tipus de conducció iònica a alta temperatura. Encara que no s’han realitzar proves amb triti, els assajos realitzats amb hidrogen han permès demostrar la capacitat d’aquests dispositius com a eina de control. Per altra banda, a l’embolcall regenerador dels reactors de fusió nuclear, també serà important la monitorització del liti. El liti s’utilitzarà per a poder regenerar el triti necessari per generar energia, ja que mitjançant reaccions amb neutrons pot produir-se triti a partir de liti. Un altre dels reptes d’aquesta Tesi doctoral, doncs, és el de començar l’estudi de possible electròlits en estat sòlid conductors de liti. En aquest projecte s’han escollit diverses ceràmiques com a candidates per aquest fi. S’han sintetitzat, conformat i provat la seva resistència front a plom fos.

Debido al auge de la demanda energética mundial durante los últimos años y la perspectiva que esta demanda vaya en aumento en el futuro, existen, desde hace años, múltiples vías de investigación centradas en mejorar y aumentar la generación de energía. Una de las alternativas a los combustibles fósiles y a las energías renovables es la energía nuclear. Esta fuente energética se puede obtener por dos procesos: fisión y fusión. Ambos procesos incluyen reacciones en las que intervienen los núcleos de los átomos. La energía de fusión nuclear es una opción eficiente y limpia que puede ser muy prometedora como futura fuente energética. Existen varios proyectos dedicados al desarrollo de esta tecnología. Uno de los más importantes es ITER, con la participación de múltiples países y organizaciones. Uno de los retos de ITER es el desarrollo de la envoltura regeneradora que se encontrará alrededor del plasma del reactor. En esta zona del reactor es donde se recolectarán los neutrones emitidos en la reacción de fusión y se aprovechará su energía. Además, resulta una pieza clave para regenerar uno de los combustibles usados durante la reacción, el tritio, un isótopo del hidrógeno que no se encuentra en la naturaleza y que deberá ser generado en continuo “in-situ”. La monitorización continua del contenido de tritio dentro de la envoltura regeneradora será vital para poder asegurar el abastecimiento de combustible al plasma. Para ello, se necesitan dispositivos capaces de cuantificar este isótopo en las condiciones químicas y de temperatura que existirán en la envoltura regeneradora. Ya que actualmente no existe ningún dispositivo comercial capaz de realizar dicha tarea, uno de los objetivos principales de esta Tesis doctoral es el de desarrollar una tecnología que permita obtener sensores útiles para este fin. Los sensores desarrollados en esta Tesis doctoral constan de electrolitos en estado sólido conductores de protón. Estos electrolitos, constituidos por cerámica, presentan este tipo de conducción iónica a alta temperatura. Aunque no se han realizado pruebas con tritio, los ensayos realizados con hidrógeno han permitido demostrar la capacidad de estos dispositivos como herramienta de control. Por otro lado, en la envoltura regeneradora de los reactores de fusión nuclear, también será importante la monitorización de litio. El litio será usado para poder regenerar el tritio necesario para generar energía, ya que mediante reacciones con neutrones puede producirse tritio a partir del litio. Otro de los retos de esta Tesis doctoral, pues, es el de empezar el estudio de posibles electrolitos en estado sólido conductores de litio. En este proyecto se han elegido diversas cerámicas como candidatas a este fin. Se han sintetizado, conformado y se ha probado su resistencia frente a plomo fundido.

Due to the increase of global energetic demand in the recent years and the prospect that this demand will raise in the future, there have been, for many years, multiple research paths focused on improving and increasing the energy generation. One of the alternatives to fossil fuels and renewable energies is nuclear energy. This energetic source can be produced through two procedures: fission and fusion. Both procedures include reactions in which the nucleus of atoms are involved. Fusion nuclear energy is an efficient and clean option that can be very promising as a future energetic source. There are several projects focused on developing this technology, one of the most important projects is ITER, which involves many countries and organizations. One of ITER’s challenges is the development of the breeding blanket. This structure will be surrounding the plasma inside the reactor. In this area is where the energetic neutrons emitted by the fusion reaction will be captured. Its energy will be used, then, to generate electrical power. Apart from this, the breeding blanket is a crucial part in the tritium regenerating cycle. Tritium will be used as fuel in the fusion reaction, but as there are not enough natural tritium sources, it will have to be generated continuously “in-situ”. Tritium monitoring inside the breeding blanket will be vital to assure the continued fuel supply to the plasma. Because of that, the development of the devices able to quantify tritium under the chemical and temperature conditions inside the blanket is needed. As nowadays there are no commercial devices able to do that, one of the main objectives of this PhD project is to develop a technology which leads to build sensors with that functionality. The developed sensors during this project contain proton conducting solid state electrolytes. These electrolytes, made of ceramic, show ionic conductivity at high temperatures. Although no tritium has been used in any experiment, the conducted assays proved that the developed sensors can be used as a quantification tool. Lithium monitoring inside the breeding blanket will also be an important part during the fusion energy generation. Lithium will be used to regenerate tritium inside the reactor in order to continuously produce energy. Tritium generation will be accomplished by neutron reaction with lithium. Thus, the other challenge in this PhD project is to start the study of lithium conducting solid state electrolytes. Synthesis, conformation and resistance tests under molten lead have been performed to some electrolyte candidates.