Materiales

Materiales para fusion

La gran cantidad de radiación que se va a producir en los futuros reactores de fusión activará los materiales y degradará las propiedades macroscópicas de estos. Desde el grupo de materiales estudiamos estos efectos, con el fin de minimizarlos y no sólo poder construir los futuros reactores de fusión sino también para garantizar su seguridad.

A continuación se describen las principales líneas de investigación del grupo de materiales.

Materiales estructurales

Ensayo de tracción en acero de fusión

Los aceros con buena respuesta a la radiación van a conformar la estructura de la vasija del reactor y sus componentes específicos como las estructuras del manto reproductor de tritio y del divertor. En el caso de los materiales estructurales la principal fuente de daño proveniente del plasma serán los neutrones. Apenas van a sufrir interacción con los iones del plasma que colisionarán con los materiales de la primera pared que se encuentran inmediatamente antes de los estructurales. Las impurezas y los defectos que crearán los neutrones a su paso a través de la estructura y su evolución con la dosis y la temperatura dañarán la microestructura causando fragilización, aumento de volumen, modificación de la estabilidad de fase, disminución de la resistencia y aumento de la corrosión.

Parte del grupo de materiales se dedica a la caracterización microestructural –precipitación de nuevas fases, tamaño de grano, precipitación de fases secundarias, estudios TEM (dislocaciones, cavidades) —y mecánica –tanto macro- como micro-mecánica (con ensayos in-situ en microscopio de barrido SEM) de las nuevas aleaciones candidatas para DEMO tanto “as-received” como tras irradiación (implantaciones de iones ligeros y pesados). También se realizan ensayos de corrosión y permeación de isótopos de hidrógeno. El CIEMAT coordina tareas a nivel europeo relacionadas con el desarrollo y caracterización de materiales estructurales que involucra a otros centros como el CEIT, las universidades UC3M, URJC, UPM o el KI.

Materiales funcionales – Aislantes

Superficie de un aislante dañada tras la implantación con He.

Los materiales funcionales se van a utilizar tanto en los diagnósticos como en los sistemas de calentamiento del reactor y actuarán como aislantes, fibras ópticas, ventanas espejos o lentes. Estos materiales van a sentir el efecto tanto de los neutrones –que causarán principalmente daño por desplazamiento y transmutación—como de la radiación gamma –radiación ionizante presente tanto durante la operación como durante el mantenimiento—. La radiación gamma produce una excitación en los estados de carga del material que acaban produciendo defectos en la red atómica. El daño acumulado y la presencia de radiación ionizante afectará a las propiedades ópticas y dieléctricas de los materiales funcionales. Por un lado inducirá emisión de luz (radioluminiscencia) y pérdida de transmisión óptica en ventanas, fibras ópticas o espejos. Y por otro afectará a la calidad de los materiales dieléctricos y los cables de aislamiento mineral al producir conductividad inducida por radiación (RIC), degradación eléctrica inducida por radiación (RIED), degradación de la superficie o voltajes inducidos por radiación (RIEMF).

El grupo de materiales es experto en el estudio de estos fenómenos y ha ayudado a identificar qué materiales son los más adecuados para ser utilizados en un reactor de fusión. Se trabaja activamente en colaboración con la industria para conseguir garantizar estándares de calidad en la producción industrial de aislantes y ventanas para fusión y apoyando al diseño de diagnósticos de ITER y DEMO. Todas estas actividades de caracterización y estudio del daño por radiación (gamma, electrones y neutrones) se enmarcan dentro de diversos proyectos en colaboración con ITER, F4E y EUROfusion y muchas de ellas conllevan colaboraciones con otros laboratorios europeos.

Materiales funcionales – Céramicas de Li

Cerámicas de Li

Las cerámicas de Litio son uno de los potenciales candidatos para el manto reproductor (“breeder blanket”) que va a ser el encargado de la autoproducción de tritio en los futuros reactores de fusión. Al igual que el otro potencial candidato de “breeder” (el LiPb), se sitúan justo detrás de la primera pared del reactor, para que los neutrones de puedan transmutar del litio en tritio. Estos materiales, por su posición y por su función, se verán afectados por el daño neutrónico, así como por radiación ionizante. Los neutrones, a parte ser responsables de la trasmutación del litio, provocarán numerosos defectos en la red cristalina de las cerámicas. De la misma forma la radiación ionizante podrá causar variaciones en la estructura electrónica de este material aislante. El estudio del efecto del daño por irradiación, llevado a cabo en nuestros laboratorios con diferentes técnicas, resulta muy importante a la hora de establecer la tasa de desorción de tritio de las matrices cerámicas.

La DTF lleva a cabo estudios detallado sobre el efecto de la radiación (iones, electrones y gammas) en la desorción térmica de los iones ligeros en los “breeder blanket” sólidos candidatos para ITER. Estas actividades se llevan a cabo en colaboración con el KIT y se enmarcan dentro del proyecto EUROfusion.

Materiales funcionales – Simulaciones

Simulación del daño de una cascada de desplazamiento en Fe.

Las simulaciones computacionales del daño por radiación son una alternativa al testeo del daño neutrónico en los materiales y sus propiedades. El modelizado de materiales ayuda a comprender los mecanismos fundamentales del daño en condiciones de fusión, siendo capaz de predecir la evolución de estos materiales bajo diferentes condiciones y reduciendo por tanto en número de experimentos necesarios para testear un nuevo componente agilizando así el proceso de desarrollo de nuevos materiales. A corto plazo no es realista pretender que los modelos físicos puedan producir modelos predictivos efectivos que validen cuantitativamente los componentes reales, como los aceros de fusión. Sin embargo, los avances en modelización multiescala sí pueden ayudar a diseño de reactores y al desarrollo de la tecnología a medio plazo.

En el grupo de materiales de fusión se utilizan y desarrollan diferentes herramientas de modelización, como la Dinámica Molecular (MD), los códigos de aproximación de colisiones binarias (BCA), los métodos Monte-Carlo (oKMC) y el “Rate Theory” para estudiar los efectos fundamentales de la radiación en materiales de fusión. Estos estudios abarcan desde el daño primario hasta su evolución con el tiempo, la dosis o la temperatura. Para dar soporte a la modelización se han desarrollado técnicas experimentales – Recuperación de la resistividad y desorción de He—para validar experimentalmente los resultados de las simulaciones. Estas actividades forman parte del programa de desarrollo de materiales de EUROfusión y también están co-financiadas por los Planes Nacionales y el proyecto de la comunidad de Madrid TechnoFusion.