Interatomic potentials for fusion reactor material simulations

Fusion energy is a clean and safe solution for the intricate question of how to produce non-polluting and sustainable energy for the constantly growing population. The fusion process does not result in any harmful waste or green-house gases, since small amounts of helium is the only bi-product that is produced when using the hydrogen isotopes deuterium and tritium as fuel. Moreover, deuterium is abundant in seawater and tritium can be bred from lithium, a common metal in the Earth's crust, rendering the fuel reservoirs practically bottomless. Due to its enormous mass, the Sun has been able to utilize fusion as its main energy source ever since it was born. But here on Earth, we must find other means to achieve the same. Inertial fusion involving powerful lasers and thermonuclear fusion employing extreme temperatures are examples of successful methods. However, these have yet to produce more energy than they consume. In thermonuclear fusion, the fuel is held inside a tokamak, which is a doughnut-shaped chamber with strong magnets wrapped around it. Once the fuel is heated up, it is controlled with the help of these magnets, since the required temperatures (over 100 million degrees C) will separate the electrons from the nuclei, forming a plasma. Once the fusion reactions occur, excess binding energy is released as energetic neutrons, which are absorbed in water in order to produce steam that runs turbines. Keeping the power losses from the plasma low, thus allowing for a high number of reactions, is a challenge. Another challenge is related to the reactor materials, since the confinement of the plasma particles is not perfect, resulting in particle bombardment of the reactor walls and structures. Material erosion and activation as well as plasma contamination are expected. Adding to this, the high energy neutrons will cause radiation damage in the materials, causing, for instance, swelling and embrittlement. In this thesis, the behaviour of a material situated in a fusion reactor was studied using molecular dynamics simulations. Simulations of processes in the next generation fusion reactor ITER include the reactor materials beryllium, carbon and tungsten as well as the plasma hydrogen isotopes. This means that interaction models, {\it i.e. interatomic potentials}, for this complicated quaternary system are needed. The task of finding such potentials is nonetheless nearly at its end, since models for the beryllium-carbon-hydrogen interactions were constructed in this thesis and as a continuation of that work, a beryllium-tungsten model is under development. These potentials are combinable with the earlier tungsten-carbon-hydrogen ones. The potentials were used to explain the chemical sputtering of beryllium due to deuterium plasma exposure. During experiments, a large fraction of the sputtered beryllium atoms were observed to be released as BeD molecules, and the simulations identified the swift chemical sputtering mechanism, previously not believed to be important in metals, as the underlying mechanism. Radiation damage in the reactor structural materials vanadium, iron and iron chromium, as well as in the wall material tungsten and the mixed alloy tungsten carbide, was also studied in this thesis. Interatomic potentials for vanadium, tungsten and iron were modified to be better suited for simulating collision cascades that are formed during particle irradiation, and the potential features affecting the resulting primary damage were identified. Including the often neglected electronic effects in the simulations was also shown to have an impact on the damage. With proper tuning of the electron-phonon interaction strength, experimentally measured quantities related to ion-beam mixing in iron could be reproduced. The damage in tungsten carbide alloys showed elemental asymmetry, as the major part of the damage consisted of carbon defects. On the other hand, modelling the damage in the iron chromium alloy, essentially representing steel, showed that small additions of chromium do not noticeably affect the primary damage in iron. Since a complete assessment of the response of a material in a future full-scale fusion reactor is not achievable using only experimental techniques, molecular dynamics simulations are of vital help. This thesis has not only provided insight into complicated reactor processes and improved current methods, but also offered tools for further simulations. It is therefore an important step towards making fusion energy more than a future goal.

Världens energibehov ökar konstant och de icke-förnybara energikällorna befaras sina inom en inte alltför avlägsen framtid. Fusion är en säker och ren energikälla och kan därmed utgöra lösningen på energiproblemen utan att jorden töms på resurser eller atmosfären skadas. Den enklaste fusionsreaktionen är sammanslagning av väteisotoperna deuterium och tritium, vilket bildar helium och neutroner med energin 14 MeV. Tack vare extrema förhållanden kan denna reaktion ske konstant i solen, men att åstadkomma fusion under kontrollerade former här på jorden är en utmaning. Inom termisk fusion används hundratals miljoner grader celsius för att få till stånd de önskade reaktionerna, vilket innebär att fusionsbränslet kommer att bilda ett plasma. I en reaktor kontrolleras detta plasma med hjälp av starka magneter, och de energetiska neutronerna absorberas i vatten som därmed värms upp och förångas. Vattenångan i sin tur driver turbiner som genererar elektricitet, såsom i dagens fissionsreaktorer. Att hålla plasmat hett och kontrollerat en längre tid är komplicerat, liksom även att minimera de skador som sker i reaktorns väggar, eftersom en liten andel plasmapartiklar samt neutronerna undslipper magnetfälten och bombarderar dem. Bombardemanget kan resultera i erosion och aktivering av väggmaterialen, i strålningsskador i strukturmaterialen och/eller i plasmakontaminering. För att kunna utveckla optimala material för en fusionsreaktor måste vi förstå de processer som sker i reaktorn. Denna avhandling behandlar molekyldynamiska simuleringar av strålningsskador i materialen i olika delar av både nuvarande och planerade reaktorer. Hit hör de strukturella materialen järn, järnkrom och vanadium, väggmaterialet beryllium samt materialen i divertorn (reaktorns utpumpningsområde), wolfram, kol och blandningen wolframkarbid. Strålningsskadorna i wolframkarbid sågs mestadels bestå av felplacerade kolatomer, medan kromatomerna inte nämnvärt påverkade skadorna i järnkrom i jämförelse med rent järn. Simuleringarna visade att de materialdefekter som uppkommer på grund av kollisionskaskader, som i sin tur orsakas av partikelbestrålning, är starkt beroende av de växelverkningsmodeller som används, nämligen de interatomiska potentialerna. Därför modifierades potentialer för järn, vanadium och wolfram för att bättre kunna modellera kollisionskaskader. I denna avhandling utvecklades även potentialer som möjliggör simulering av processer i komplicerade system bestående av plasmapartiklar samt ett eller flera väggmaterial. Med hjälp av dessa förklarades varför och i hur stor utsträckning molekyler bestående av både beryllium och deuterium eroderas från berylliumytor, då dessa exponeras för ett deuteriumplasma. Eftersom varken dagens fusions- och fissionsreaktorer eller experimentella faciliteter kan ge en heltäckande bild av vad som kan ske i framtida storskaliga fusionsreaktorer, är molekyldynamiska simuleringar till stor hjälp. Denna avhandling förbättrar nuvarande simuleringsmodeller, utvecklar nya modeller för fortsatta simuleringar samt ger insikt i komplicerade reaktorprocesser. Vi är således ett steg närmare en varaktig och trygg energikälla.