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Nov 26, 2023

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 16042 (2015) Citare questo articolo

La conoscenza dell'evoluzione delle proprietà meccaniche e fisiche dovuta ai danni da irradiazione è essenziale per lo sviluppo dei futuri reattori a fissione e fusione. L'irradiazione ionica fornisce un eccellente proxy per lo studio del danno da irradiazione, consentendo dosi elevate di danno senza attivazione del campione. La limitata profondità di penetrazione degli ioni significa che vengono prodotti solo strati danneggiati di pochi micron di spessore. Sono stati dedicati sforzi considerevoli allo studio delle proprietà meccaniche di questi sottili strati impiantati. Tuttavia, sebbene siano fondamentali per la progettazione dei reattori, le loro proprietà di trasporto termico rimangono in gran parte inesplorate a causa della mancanza di tecniche di misurazione adeguate. Qui dimostriamo le misurazioni della diffusività termica senza contatto nel tungsteno impiantato con ioni per l'armatura a fusione nucleare. La lega con elementi di trasmutazione e l'interazione del gas trattenuto con difetti indotti dall'impianto portano entrambi a drastiche riduzioni della diffusività termica. Questi cambiamenti sono ben catturati dai nostri approcci di modellazione. Le nostre osservazioni hanno importanti implicazioni per la progettazione delle future centrali elettriche a fusione.

La fusione nucleare è una fonte di energia sostenibile ideale. Uno dei principali ostacoli al suo sviluppo commerciale è la disponibilità di materiali sufficientemente resistenti. Le leghe a base di tungsteno sono i principali candidati per i componenti rivolti verso il plasma nei futuri reattori a fusione a confinamento magnetico1. In un reattore dimostrativo (DEMO) saranno esposti ad alte temperature (~1500 K), irradiazione con neutroni di fusione da 14,1 MeV e un grande flusso di ioni energetici (fino a 15 MWm−2)2,3. L'elevata conduttività termica è uno dei principali criteri di selezione dei materiali4. Un degrado significativo della conduttività termica potrebbe provocare temperature eccessive con conseguenze potenzialmente disastrose per l'integrità dell'armatura a fusione5.

L'esposizione dell'armatura a fusione a neutroni da 14,1 MeV porta a danni a cascata e leghe di trasmutazione. I calcoli indicano che dopo 5 anni di funzionamento, il tungsteno inizialmente puro (W) in un divertore DEMO conterrebbe fino al 4% atomico di renio (Re)6. Una lega W-5%Re ha meno della metà della diffusività termica a temperatura ambiente del tungsteno puro7,8. Quantificare gli effetti del danno a cascata di neutroni da fusione sulla conduttività termica è più difficile. Come proxy, è stato considerato il trasporto termico nel tungsteno irradiato con neutroni di fissione9,10. Un livello di danno di 0,6 spostamenti per atomo (dpa), che sarebbe stato raggiunto in 3 mesi in DEMO6, ha causato una riduzione della conduttività termica a temperatura ambiente del 25%10.

Un ruolo interessante è svolto dall'elio, che si forma per trasmutazione6 e viene impiantato anche dal plasma nella matrice di tungsteno. A temperature elevate l'elio migra dalle superfici alla massa e interagisce fortemente con i difetti indotti dall'irradiazione11, legandosi ai posti vacanti12,13 e sopprimendo la loro ricombinazione con gli atomi auto-interstiziali (SIA)14. L'impianto di ioni di elio è uno strumento efficiente per studiare questa interazione15 e grandi sforzi sono stati investiti nello sviluppo di approcci micromeccanici in grado di quantificare le proprietà meccaniche degli strati impiantati di ioni sottili un micron16,17,18.

Le proprietà di trasporto termico degli strati danneggiati dagli ioni, tuttavia, sono ancora in gran parte inesplorate a causa della mancanza di tecniche sperimentali adeguate. I riferimenti sopra citati utilizzavano una tecnica flash laser8,9,10 o misurazioni di resistività elettrica7. Entrambi sono adatti solo per campioni sfusi. Recentemente sono stati proposti due nuovi approcci, la tecnica dei 3 omega19 e le misurazioni della riflettanza termica20,21, per quantificare il trasporto termico in strati superficiali sottili irradiati da ioni. Il primo richiedeva la deposizione di caratteristiche superficiali complesse sul campione e mostrava significative incertezze sperimentali. Quest'ultimo richiedeva che i campioni fossero rivestiti e la profondità sondata dipendeva dalla diffusività termica, sconosciuta a priori.

Qui presentiamo un approccio nuovo e completamente diverso per misurare le proprietà di trasporto termico dei materiali impiantati con ioni. Utilizzando la tecnica del reticolo transitorio indotto dal laser (TG) senza contatto22 quantifichiamo la diffusività termica in strati di tungsteno impiantati con elio spessi pochi micron. L'effetto della lega di trasmutazione viene imitato considerando le leghe di tungsteno-renio. In entrambi i tipi di campioni troviamo cambiamenti sostanziali nella diffusività termica. Vengono analizzati utilizzando un modello di teoria cinetica, fornendo informazioni sulla distribuzione dei difetti sottostanti. I nostri risultati sono discussi alla luce delle attuali pratiche di progettazione per i futuri reattori a fusione.