Computer simulation of H and He effects in fusion reactor materials

Fusion power is an appealing source of clean and abundant energy. The radiation resistance of reactor materials is one of the greatest obstacles on the path towards commercial fusion power. These materials are subject to a harsh radiation environment, and cannot fail mechanically or contaminate the fusion plasma. Moreover, for a power plant to be economically viable, the reactor materials must withstand long operation times, with little maintenance. The fusion reactor materials will contain hydrogen and helium, due to deposition from the plasma and nuclear reactions because of energetic neutron irradiation. The first wall divertor materials, carbon and tungsten in existing and planned test reactors, will be subject to intense bombardment of low energy deuterium and helium, which erodes and modifies the surface. All reactor materials, including the structural steel, will suffer irradiation of high energy neutrons, causing displacement cascade damage. Molecular dynamics simulation is a valuable tool for studying irradiation phenomena, such as surface bombardment and the onset of primary damage due to displacement cascades. The governing mechanisms are on the atomic level, and hence not easily studied experimentally. In order to model materials, interatomic potentials are needed to describe the interaction between the atoms. In this thesis, new interatomic potentials were developed for the tungsten-carbon-hydrogen system and for iron-helium and chromium-helium. Thus, the study of previously inaccessible systems was made possible, in particular the effect of H and He on radiation damage. The potentials were based on experimental and ab initio data from the literature, as well as density-functional theory calculations performed in this work. As a model for ferritic steel, iron-chromium with 10% Cr was studied. The difference between Fe and FeCr was shown to be negligible for threshold displacement energies. The properties of small He and He-vacancy clusters in Fe and FeCr were also investigated. The clusters were found to be more mobile and dissociate more rapidly than previously assumed, and the effect of Cr was small. The primary damage formed by displacement cascades was found to be heavily influenced by the presence of He, both in FeCr and W. Many important issues with fusion reactor materials remain poorly understood, and will require a huge effort by the international community. The development of potential models for new materials and the simulations performed in this thesis reveal many interesting features, but also serve as a platform for further studies.

Fusionskraft är en lockande framtida energikälla, eftersom den är ren, säker och i praktiken outsinlig. De kärnfysikaliska processerna är väl kända och med dagens och kommande testreaktorer är man nära att visa att ett fusionskraftverk är möjligt. Ett av de största återstående problemen är dock att konstruera väggmaterial som tål den extrema strålningen i en fusionsreaktor. För att fusionskraft skall bli kommersiellt lönsam bör reaktorväggarna hålla i långa tider med så lite underhåll som möjligt. I den reaktortyp som är längst utvecklad för ett kraftverk, tokamakreaktorn, innesluts den heta fusionsplasman av toroidala magnetfält. Läckaget från plasman styrs mot en s.k. divertor, som är designad för den intensiva strålningen av väteisotoper och helium. Denna strålning kan förändra ytans egenskaper och orsaka erosion av ytmaterial. Hela reaktorn kommer också att bestrålas av högenergetiska neutroner från fusionsprocessen. Dessa leder till kärnreaktioner i väggarna och skador genom kollisionskaskader. Väteisotoper och helium finns i fusionsreaktormaterialen både p.g.a. deposition från fusionsplasman och kärnreaktioner från neutronstrålningen. Väte och heliums inverkan på materialens egenskaper är därmed ett viktigt forskningsområde. Många av mekanismerna som styr uppkomsten av strålningsskador sker på atomnivå och på kort tidsskala, vilka är svårtillgängliga experimentellt, men lämpliga för molekyldynamiska simuleringar. I simuleringarna beskrivs växelverkan mellan atomer med hjälp av potentialer. Kvaliteten på potentialerna är avgörande för hur tillförlitliga simuleringarna är. I denna avhandling har nya potentialer utvecklats för system med volfram, väte och kol, samt helium i järn och krom. Volfram och kol används som divertormaterial, medan järn och krom är huvudbeståndsdelarna i stålet som används i reaktorn. Dessa potentialer gör det möjligt att studera system som tidigare inte var tillgängliga för molekyldynamiska simuleringar. Potentialerna är baserade på litteraturdata från experiment och elektronstrukturberäkningar, samt egna elektronstrukturberäkningar. I avhandlingen presenteras resultat som visar att helium har en betydande effekt på uppkomsten av strålningsskador i järnkrom och volfram, medan kroms inverkan på den energi som krävs för att flytta en atom från sin plats i järnkrom är obetydlig. Bildningen och migrationen av små heliumklustrar och helium-vakansklustrar har undersökts i järn och järnkrom, med resultatet att klustrarna kan vara betydligt mer rörliga än vad man tidigare har antagit.