Uno de los objetivos que hay que lograr en el desarrollo de reactores de fusión nuclear es la generación insitu de tritio. Este proceso se realizará en el interior de las Tritium Breeding Modules (TBM), donde 6Li es impactado por un neutrón de alta energía para liberar helio y tritio. Una de las propuestas para estos módulos emplear el eutéctico plomo-litio (Figura 1).
Figura 1. Representación del proceso de generación de tritio en una breeding blanket de eutéctico Pb-Li y su transformación a la aleación Pb-Li hipoeutéctica.
Durante este proceso de generación, el litio se va consumiendo y, por lo tanto, la aleación que inicialmente era eutéctica, termina transformándose en una aleación hipoeutéctica con bajo contenido en litio. Es por este motivo que es necesario desarrollar sensores que permitan cuantificarlo en continuo. Uno de los objetivos de la participación de IQS en el proyecto FusionCAT es el desarrollo de sensores electroquímicos de litio que permitan controlarlo dentro de la aleación plomo-litio fundida.
De forma similar a los sensores de hidrógeno que ya se explicaron previamente en la primera parte de esta serie de artículos, Contribución del Laboratorio de Métodos Electrométricos de IQS al proyecto FusionCAT: Sensores de hidrógeno, los sensores electroquímicos de litio son sensores construidos empleando un electrolito en estado sólido. Estos materialesdeben ser estables bajo las condiciones de las breeding blankets. No obstante, existe una diferencia en el funcionamiento de estos sensores. Mientras que los sensores de hidrogeno que se explicaron previamente tenían un funcionamiento amperométrico, los sensores que proponemos para llevar a cabo las medidas de litio son sensores potenciométricos (ver Figura 2).
Figura 2. Comparación entre sensores: A) Amperométricos i B) Potenciométricos.
Los sensores amperométricos (Figura 2A) miden la corriente electroquímica asociada a la especie de interés cuando se aplica una diferencia de potencia entre los electrodos del sensor. En estos sensores, existe un transporte másico entre un electrodo y el otro. En cambio, los sensores potenciométricos (Fiugra 2B) trabajan comparando la muestra de interés con una muestra de referencia de concentración en especie de interés conocida. A causa de la diferencia de concentración entre ambos electrodos, se genera una diferencia de potencial electroquímica, la cual se relaciona con la ecuación de Nernst (Ecuación 1).
Eq. 1
Donde ΔE es la diferencia de potencial (V), R es la constante de los gases ideales (8.314 J·mol-1·K-1), T es la temperatura (en K), n es el nombre de electrones involucrados a la reacción electroquímica, F es la constante de Faraday (96485.34 C·mol-1) y y son las actividades de litio en el electrodo de trabajo y de referencia, respectivamente.
Los sensores potenciométricos son una buena opción para la medida de litio en sistemas metálicos porque su respuesta no depende del área, la cual cosa permite su uso en sensores de pequeñas dimensiones. En la Figura 3 se muestra un esquema de los sensores desarrollados para las medidas de litio.
Figura 3. Representación del sensor electroquímico de litio.
Los sensores están formados por un disco cerámico conductor de litio, como Li6.35Ga0.25La2.9Sr0.1Zr2O12, el cual está sellado a un tubo de alúmina mediante cemento vítreo. El electrodo de referencia es una aleación Pb-Li de concentración de litio conocida en la parte interna del sensor. El electrodo de trabajo es la aleación de Pb-Li de concentración de litio por determinar. Finalmente, los dos electrodos se conectan a un voltímetro de alta impedancia para realizar las medidas.
Los experimentos se realizan en el interior de una caja de guantes con una atmósfera inerte que mantenga concentraciones de oxígeno y humedad inferiores a 1 ppm, con la finalidad de evitar que las aleaciones fundidas se oxiden durante las medidas (Figura 4).
Figura 4. A) Caja de guante donde se realizan las medidas electroquímicas con los sensores de litio para metales fundidos
Figura 4. B) montaje para realizar las medidas.
La muestra de Pb-Li, la cual se encuentra en un crisol de alúmina, se introduce en el interior de un recipiente de acero inoxidable que servirá para calentar. El control de temperatura está compuesto por un termopar, una resistencia calefactora y un controlador de temperatura PID. El sensor de litio se sumerge en el interior de una muestra de Pb-Li fundida. Finalmente, el sensor se conecta a un voltímetro de alta impedancia para registrar la diferencia de potencial.
Actualmente, el desarrollo de estos sensores se encuentra en la fase de síntesis y sinterizado de diferentes materiales cerámicos. Simultáneamente, se están realizando ensayos con prototipos, empleando aleaciones de plomo-litio reales.