Abstract

Els futurs reactors de fusió nuclear utilitzaran dos isòtops de l’hidrogen, deuteri i triti, per a la generació d’energia. Mentre que el deuteri es pot extreure de l’aigua mitjançant un procés conegut, el triti es generarà in situ en les mantes regeneradores de triti (TBB, per les seves sigles en anglès). Ambdós isòtops seran reciclats en un cicle tancat de combustible, on serà crucial mesurar i controlar la concentració d’hidrogen. Els sensors electroquímics basats en electròlits sòlids són una solució prometedora gràcies a la seva capacitat per operar en les exigents condicions dels reactors, incloent les TBB. En aquesta Tesi Doctoral s’han desenvolupat sensors electroquímics d’hidrogen utilitzant BaCe0.6Zr0.3Y0.1O3-δ, un electròlit sòlid amb alta conductivitat de protons, estabilitat tèrmica i resistència a atmosferes reductores. Es van emprar diferents tècniques de conformació, com la pressió isostàtica en fred, impressió 3D per extrusió i impressió 3D per litografia, fabricant elements ceràmics en forma de pastilles i tubs tancats per un extrem. També es van fabricar pastilles mitjançant pressió uniaxial per a comparació. En el cas de la impressió 3D per extrusió, es va optimitzar la formulació de la barbotina per garantir propietats reològiques adequades, així com el disseny d’un tanc d’acer inoxidable, resistent al pH alcalí de les barbotines, i una punta de PTFE amb un diàmetre de sortida menor al de les altres puntes comercialitzades amb l’equip. Finalment, també es van optimitzar els paràmetres d’impressió per reduir el gruix de paret dels elements fabricats. Les mostres obtingudes es van caracteritzar en termes d’estructura cristal·lina, microestructura i conductivitat de protons. Les anàlisis van revelar lleugeres pèrdues de bari en algunes mostres i el seu impacte en la conductivitat. Les mesures de conductivitat de protons mitjançant espectroscòpia d’impedància electroquímica (EIS) en el rang de 50 °C a 500 °C van confirmar que els electròlits eren adequats per al seu ús en sensors. Finalment, els sensors desenvolupats van ser avaluats per mesurar hidrogen en fase gasosa entre 400 °C i 600 °C en modes potenciomètric i amperomètric. Es van analitzar paràmetres com la sensibilitat, el rang lineal, el temps de resposta i recuperació, la precisió i l’exactitud. Els sensors basats en impressió 3D per extrusió i litografia van destacar pel seu rendiment equilibrat i sensibilitat, respectivament. Aquests resultats posicionen els sensors com a eines prometedores per al seu ús en reactors de fusió nuclear.

Key Points

• Hydrogen sensing is effectively achieved at temperatures of 400 °C to 600 °C with BaCe0.6Zr0.3Y0.1O3-δ sensors.