Czy teoria i metody obliczeniowe mogą pomóc w poszukiwaniu najlepszego materiału odchylającego i tym samym przyczynić się do urzeczywistnienia energii termojądrowej?
Badanie syntezy jądrowej jako czystego źródła energii ujawnia ogromne zapotrzebowanie na zaawansowane materiały napawane plazmą. Badacze z laboratorium MARVEL zidentyfikowali materiały, które mogą wytrzymać ekstremalne warunki syntezy termojądrowej i zaproponowali alternatywy dla obecnie wybieranego wolframu.
Fuzja jądrowa i wyzwanie materialne
Fuzja jądrowa stanowi obiecujące rozwiązanie naszych wyzwań energetycznych, potencjalnie zapewniając niemal nieograniczone źródło energii bez emisji gazów cieplarnianych. Jednakże nadal istnieją istotne przeszkody technologiczne, zwłaszcza dotyczące materiałów wymaganych do budowy reaktorów termojądrowych. Reaktory te opierają się na materiałach, które są w stanie wytrzymać ekstremalne warunki osocze interfejs.
Projekt ITER, eksperymentalny europejski reaktor budowany w południowej Francji, obejmuje krytyczny element zwany dywertorem. Urządzenie to pobiera ciepło i popiół powstający w wyniku reakcji termojądrowej i kieruje intensywny przepływ ciepła i cząstek z plazmy na określone powierzchnie w celu chłodzenia. Materiały skierowane w stronę plazmy odchylacza muszą nie tylko wytrzymywać ekstremalnie wysokie temperatury, ale także wytrzymywać ciągły napływ neutronów, elektronów, naładowanych jonów i promieniowania o wysokiej energii.
W przypadku ITER na odwracacz wybrano wolfram ze względu na jego wyjątkową odporność na ciepło. Jednak wcześniej rozważano inne materiały, takie jak włókna węglowe i ceramika. Pozostaje pytanie, czy wolfram będzie w dalszym ciągu najlepszym wyborem dla przyszłych reaktorów, ponieważ badacze nadal badają alternatywy, które mogłyby lepiej sprostać wyjątkowym wymaganiom syntezy termojądrowej.
Podejście obliczeniowe laboratorium MARVEL
Czy teoria i metody obliczeniowe mogą pomóc w poszukiwaniu najlepszego materiału odchylającego i tym samym przyczynić się do urzeczywistnienia syntezy jądrowej? Naukowcy z laboratorium MARVEL Nicoli Marzari w EPFL postanowili odpowiedzieć na to pytanie i w nowym artykule pt Energia PRXprzedstawiają metodę wielkoskalowego badania przesiewowego potencjalnych materiałów naświetlanych plazmą oraz krótką listę najbardziej obiecujących z nich.
Przede wszystkim naukowcy musieli znaleźć sposób, aby obliczenia stały się możliwe do wyleczenia. „Realistyczna symulacja dynamiki na styku plazma-materiał wymagałaby symulacji zachowania tysięcy atomów w ciągu kilku milisekund, co nie byłoby wykonalne przy zwykłej mocy obliczeniowej” – mówi Andrea Fedrigucci, doktorantka w laboratorium THEOS i pierwsza autor artykułu. „Postanowiliśmy więc wybrać kilka kluczowych właściwości, jakie musi posiadać materiał okładziny plazmowej, i wykorzystać je jako wskazówkę, jak dobrze materiał może działać na dywertorze”.
Najpierw naukowcy przejrzeli bazę danych plików Paulinga, czyli duży zbiór znanych nieorganicznych struktur krystalicznych, i stworzyli schemat postępowania mający na celu znalezienie tych, które mają wystarczającą rezystancję, aby przetrwać temperatury panujące w reaktorze. Można to zrozumieć, patrząc na ich pojemność cieplną, przewodność cieplną, temperaturę topnienia i gęstość. Ponieważ temperatura powierzchni warstwy materiału zależy od jej grubości, obliczono również maksymalną grubość, jaką może mieć każdy materiał przed stopieniem, i odpowiednio uszeregowano materiały. W przypadku materiałów, dla których nie udało się obliczyć informacji o maksymalnej grubości, zastosowano metodę optymalizacji Pareto, aby uszeregować je według wcześniej wymienionych właściwości.
Rozpoczyna się proces tworzenia krótkiej listy
W rezultacie powstała pierwsza krótka lista 71 kandydatów. Na tym etapie trzeba było zastosować bardzo nieobliczeniową i staromodną metodę.
„Cierpliwie przeglądałem literaturę na temat każdego z nich, żeby sprawdzić, czy nie zostały już przetestowane i wyrzucone, czy też mają właściwości uniemożliwiające ich zastosowanie w reaktorze termojądrowym, a których nie było w bazie danych, jak np. skłonność do erozji lub degradację ich właściwości termicznych pod wpływem bombardowania plazmą i neutronami.”
Co ciekawe, ta część badań doprowadziła do odrzucenia jako materiałów odchylających niektórych innowacyjnych materiałów, które niedawno zaproponowano do zastosowania w reaktorach termojądrowych, takich jak stopy o wysokiej entropii.
Ostateczny wybór obiecujących materiałów
Ostatecznie pozostało 21 materiałów, dla których zastosowano metodę DFT w celu obliczenia dwóch kluczowych właściwości, jakie powinien posiadać dobry materiał do stapiania plazmowego: energii wiązania powierzchniowego, która jest miarą łatwości ekstrakcji atom z powierzchni oraz energię tworzenia śródmiąższowej warstwy wodoru, która mierzy przybliżoną rozpuszczalność trytu w strukturze kryształu.
„Jeśli materiał odchylacza ulegnie nadmiernej erozji w czasie jego eksploatacji, uwolnione atomy rozpraszają się w plazmie, co prowadzi do obniżenia jej temperatury” – mówi Fedrigucci. „Ponadto, jeśli materiał reaguje chemicznie z trytem, może odjąć tryt dostępny do stopienia i spowodować nagromadzenie zapasów trytu przekraczających limity bezpieczeństwa nałożone dla tego typu technologii”.
Ostatecznie ostateczny ranking oparty na wszystkich kluczowych właściwościach obejmuje kilka typowych podejrzanych substancji, które zostały szeroko przetestowane: sam wolfram w postaci metalicznej (W) i węglikowej (WC i W2C), diament i grafit, azotek boru i metale przejściowe, takie jak molibden, tantal i ren. Ale było też kilka niespodzianek, takich jak specyficzna faza azotku tantalu lub inna ceramika na bazie boru i azotu, która nigdy nie była testowana pod kątem tego zastosowania.
Jak mówi Fedrigucci, grupa ma nadzieję wykorzystać w przyszłości sieci neuronowe do lepszej symulacji tego, co naprawdę dzieje się z materiałami w reaktorze, w tym interakcji z neutronami, których nie można tutaj symulować.
Odniesienie: „Comprehensive Screening of Plasma-Facing Materials for Nuclear Fusion” autorstwa Andrei Fedrigucci, Nicoli Marzari i Paolo Ricci, 29 października 2024 r., Energia PRX.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.3.043002
