Un dels objectius que cal assolir en el desenvolupament dels reactors de fusió nuclear és la generació de triti a l’interior del tokamak. Aquest procés es realitzarà a l’interior dels Tritium Breeding Modules (TBM), on 6Li és impactat per un neutró d’alta energia per alliberar heli i triti. Una de les propostes per aquests mòduls és fer ús de l’aliatge eutèctic plom-liti (Figura 1).
Figura 1. Representació del procés de generació de triti a una breeding blanket d’eutèctic Pb-Li i la seva transformació a l’aliatge Pb-Li hipoeutèctic.
Durant aquest procés de generació, el liti es va consumint i, per tant, l’aliatge que inicialment era eutèctic, s’acaba transformant en un aliatge hipoeutèctic amb baix contingut en liti. Es per aquest motiu que és necessari desenvolupar sensors que permetin quantificar-lo en continu. Un dels objectius de la participació d’IQS al projecte FusionCAT és el desenvolupament de sensors electroquímics de liti que permetin controlar-lo dins l’aliatge de plom-liti fos.
De forma similar als sensors d’hidrogen que ja van ser explicats a la primera part d’aquesta sèrie d’articles, Contribució del Laboratori de Mètodes Electromètrics d’IQS al projecte FusionCAT: sensors d’hidrogen, els sensors electroquímics de liti són sensors construïts mitjançant un electròlit en estat sòlid. Aquests materials han de ser estables sota les condicions de les breeding blankets. No obstant això, existeix una diferència en el funcionament d’aquests sensors. Mentre que els sensors d’hidrogen que es van explicar prèviament tenien un funcionament amperomètric, els sensors que proposem per a dur a terme les mesures de liti són sensors potenciomètrics (veure Figura 2).
Figura 2. Comparació entre sensors: A) Amperomètrics i B) Potenciomètrics.
Els sensors amperomètrics (Figura 2A) mesuren el corrent electroquímic associat a l’espècie d’interès quan s’aplica una diferència de potencial entre els elèctrodes del sensor. En aquests sensors, existeix un transport màssic entre un elèctrode i l’altre. En canvi, els potenciomètrics (Figura 2B) treballen comparant la mostra d’interès amb una mostra de referència de concentració en l’espècie d’interès coneguda. A causa de la diferència de concentració entre ambdós elèctrodes, es genera una diferència de potencial electroquímica, la qual es relaciona amb l’equació de Nernst (Equació 1).
Eq. 1
On ΔE és la diferència de potencial (V), R és la constant dels gasos ideals (8.314 J·mol-1·K-1), T és la temperatura (en K), n és el nombre d’electrons involucrats a la reacció electroquímica, F és la constant de Faraday (96485.34 C·mol-1) i i són l’activitat de liti a l’elèctrode de treball i de referència, respectivament.
Els sensors potenciomètrics són una bona opció per a la mesura de liti en sistemes metàl·lics, ja que la seva resposta no és dependent de l’àrea, la qual cosa permet l’ús de sensors de petites dimensions. A la Figura 3 es mostra un esquema dels sensors desenvolupats per a la mesura de liti.
Figura 3. Representació del sensor electroquímic de liti.
Els sensors estan formats per un disc ceràmic conductor de liti, com Li6.35Ga0.25La2.9Sr0.1Zr2O12, el qual està unit a un tub d’alúmina mitjançant un ciment vitri. L’elèctrode de referència és un aliatge Pb-Li de concentració en liti coneguda a la part interna del sensor. L’elèctrode de treball és l’aliatge de Pb-Li de concentració en liti a determinar. Finalment, els dos elèctrodes es connecten a un voltímetre d’alta impedància per realitzar les mesures.
Els experiments es realitzen a l’interior d’una caixa de guants amb una atmosfera inert que mantingui concentracions d’oxigen i humitat inferiors a 1 ppm, per tal d’evitar que els aliatges fosos s’oxidin durant les mesures (Figura 4).
Figura 4. A) Caixa de guants on es porten a terme les mesures electroquímiques amb els sensors de liti per metalls fosos
Figura 4. B) muntatge per a realitzar les mesures.
La mostra de Pb-Li, la qual es troba en un gresol d’alúmina, s’introdueix a l’interior d’un recipient d’acer inoxidable que servirà per escalfar. El control de temperatura està format per un termoparell, una resistència calefactora i un controlador de temperatura PID. El sensor de liti se submergeix a l’interior de la mostra de Pb-Li fosa. Finalment, el sensor es connecta a un voltímetre d’alta impedància per tal de registrar la diferència de potencial.
Actualment, el desenvolupament d’aquests sensors es troba a la fase de síntesi i sinteritzat de diferents materials ceràmics. Simultàniament, s’estan realitzant els assajos amb els primers prototips utilitzant aliatges de plom-liti reals.