Un team multi-istituzionale guidato da ingegneri dell’Università del Wisconsin-Madison ha sviluppato un nuova metodologia per la valutazione delle saldature a diffusione, che offre a produttori, enti regolatori e fornitori un modo unico per “visualizzare” i legami dei materiali che compongono lo scambiatore, garantendone la resistenza.
Gli ingegneri dell’Università del Wisconsin-Madison hanno guidato un team multi-istituzionale nello sviluppo di una nuova metodologia per la valutazione delle saldature a diffusione, che offre a produttori, enti regolatori e fornitori un modo unico per “visualizzare” i legami dei materiali che compongono lo scambiatore, garantendone la resistenza.
Gli scambiatori di calore compatti potrebbero consentire la realizzazione di reattori nucleari avanzati più piccoli, più efficienti e più economici, ma un passo fondamentale per la loro adozione è la verifica della loro capacità di resistere alle alte temperature e alle potenziali alte pressioni dei reattori di nuova generazione, mantenendo al contempo la loro integrità strutturale: “Il nostro strumento contribuirà ad aumentare la fiducia negli scambiatori di calore compatti, aprendo la strada alla certificazione di questa tecnologia per l’uso nei reattori nucleari” afferma Mark Anderson, professore di ingegneria meccanica presso la Wisconsin-Madison University.
Gli scambiatori di calore a circuito stampato sono realizzati tramite un processo chiamato saldatura a diffusione, che prevede la sovrapposizione di piastre metalliche scanalate e l’applicazione di calore e pressione per fonderle insieme. Il risultato è un singolo componente che contiene una rete di canali stretti che trasferiscono il calore con un’efficienza eccezionale e possono sopportare pressioni e temperature elevate: “Il processo di saldatura per diffusione è un po’ come avere due tavolette di cioccolato: le si sovrappongono e le si premono insieme fino a farle fondere in un’unica tavoletta. Il nostro obiettivo è ottenere il legame più resistente possibile tra gli strati” spiega Anderson.
Il lagame è importante, perché temperature e pressioni elevate per periodi prolungati possono indebolire le saldature tra le piastre metalliche, con conseguenze negative sulle prestazioni dello scambiatore di calore e rischi per la sicurezza. Finora valutare la resistenza dei legami nei componenti saldati per diffusione è stato difficile, perché i produttori non disponevano di un metodo standard affidabile. Per sviluppare il loro nuovo strumento, i ricercatori hanno studiato due materiali – l’acciaio inossidabile 316H e la lega 617 – entrambi già approvati per l’uso in applicazioni nucleari ad alta temperatura: “Sappiamo che questi materiali possono funzionare bene ad alte temperature, ma dobbiamo ancora dimostrare che il metodo di produzione – la saldatura per diffusione – può creare legami sufficientemente resistenti, in cui la crescita dei grani attraverso l’interfaccia sia sufficiente a resistere ad alte temperature e pressioni” afferma Ian Jentz, scienziato di ingegneria meccanica presso l’Università del Wisconsin-Madison.
Creare campioni saldati
Gli ingegneri dell’Università del Wisconsin-Madison hanno collaborato con CompRex, un’azienda produttrice con sede a La Crosse, nel Wisconsin, per creare campioni saldati per diffusione con questi materiali. Successivamente, hanno sezionato i campioni per esporre le interfacce saldate e hanno utilizzato dei microscopi per esaminare l’entità della crescita dei grani attraverso gli strati dell’interfaccia. Maggiore è il numero di grani della microstruttura che crescono attraverso l’interfaccia durante il processo di saldatura, più resistente è il legame. Il conteggio e la misurazione manuale dei grani nelle immagini al microscopio sono operazioni laboriose, quindi i ricercatori hanno collaborato con l’azienda MIPAR e l’Electric Power Research Institute (EPRI) per sviluppare uno strumento personalizzato che sfrutta un software di analisi automatica delle immagini per rilevare e valutare i grani all’interno di un’immagine al microscopio di un campione saldato per diffusione.
Lo strumento calcola la percentuale totale della saldatura in cui si è verificata la crescita dei grani attraverso l’interfaccia, fornendo un parametro standardizzato per la resistenza del giunto, necessario per la redazione dei casi normativi ASME relativi ai componenti saldati per diffusione. Per esempio, un futuro caso normativo potrebbe specificare la percentuale minima richiesta di crescita dei grani all’interfaccia di un giunto per consentire l’utilizzo di un componente in applicazioni ad alta temperatura in caldaie e recipienti a pressione: “Il nostro nuovo strumento e i nostri metodi garantiscono che i produttori possano avere fiducia nell’integrità di ogni giunto, ogni volta, durante la produzione di scambiatori di calore compatti su scala commerciale. Questo programma di ricerca sta apportando benefici concreti e duraturi alle aziende del settore nucleare e al futuro della produzione di energia in tutto il mondo” conclude Anderson.
Foto: Joel Hallberg
