Nuevos sensores electroquímicos de litio

La energía producida por fusión de núcleos atómicos es una de las vías como posible fuente de energía en el futuro. Para poder hacerla realidad, varios grupos de investigación están trabajando en la construcción de reactores de fusión, donde poder generar tritio mediante la reacción nuclear de ⁶Li con neutrones de alta energía.  La producción de tritio se realizará en los denominados Tritium Breeding Blankets (TBM), uno de los elementos esenciales que conforman los futuros reactores de fusión y el desarrollo de los cuales es crucial para conseguir los objetivos deseados.

Se están estudiando diferentes opciones para la regeneración del tritio en el interior de las TBMs, una de las cuales es la utilización de la aleación eutéctica Pb-Li, donde el litio se irá consumiendo y será fundamental controlar la concentración de este elemento, mediante la utilización de sensores electroquímicos en continuo.

Es en este contexto de investigación donde el Dr. Marc Nel·lo ha llevado a cabo su tesis doctoral, defendida recientemente en IQS. Bajo el título Desarrollo de sensores de Li para su aplicación en tecnología de fusión, la tesis ha sido dirigida por el Dr. Jordi Abellà y por el Dr. Sergi Colominas del Laboratorio de Métodos Electroquímicos, dentro del Grupo de Química Analítica (QuAN) de IQS School of Engineering.

Herramientas de control de litio en condiciones extremas

En su tesis doctoral, el Dr. Nel·lo ha desarrollado unos sensores electroquímicos de litio, basados en electrolitos solidos conductores de litio y capaces de trabajar en condiciones de temperatura muy elevada.

El primer paso ha sido la selección de los electrolitos más adecuados para la construcción de los sensores, con los requerimientos de ser estables a elevadas temperaturas (superiores a los 600 °C), presentar baja reactividad en contacto con el Li metálico y también elevada conductividad iónica. Las cerámicas seleccionadas han sido la Li6BaLa2Ta2O12 (LBLTO) y la Li6La3Ta1.5Y0.5O12 (LLTYO), ambas sintetizadas y sinterizadas satisfactoriamente en esta tesis, y con conductividades iónicas suficientemente altas que permitan su utilización en los sensores electroquímicos.

Posteriormente, y por primera vez, se diseñaron y construyeron los sensores electroquímicos basados en estos materiales, los cuales han sido evaluados en las condiciones extremas descritas, mostrando ambos electrolitos excelentes resultados. Estos sensores potenciométricos han permitido determinar con éxito la concentración nominal de litio presente en muestras preparadas de aleación Pb-Li.

En definitiva, en esta investigación se han desarrollado instrumentos analíticos capaces de monitorizar la concentración de litio en aleaciones de Pb-Li fundidos, lo cual representa un gran avance en el camino hacia la energía de fusión y abre muchas puertas al futuro de esta energía.

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Marc Nel·lo, Oscar Ferrer, Sergi Colominas, Jordi Abellà; Lithium sensors based on Li₆La₃Ta_1.5Y_0.5O₁₂ and Li₆BaLa₂Ta₂O₁₂ garnet electrolytes for molten lead alloys, 339, Sensors and Actuators B:Chemical, July 2021, 129831.

Marc Nel·lo, Sergi Colominas, Jordi Abellà; Lithium conducting ceramics for future electrochemical sensors in molten metals, 146, Fusion Engineering and Design, September 2019, 1216-1220.

Esta investigación se ha llevado a cabo en el marco del proyecto “Desarrollo y Aplicación de sensores para metales fundidos en reactores de fusión (RTI2018-095045-B-I00)” de la convocatoria 2018 de proyectos ‘Retos de investigación’ del programa estatal I+D+i orientada a los retos de la sociedad, del Ministerio de Ciencia e Innovación y de la Agencia Estatal de Investigación.