Simulación atomística de metales líquidos y aleaciones para reactores de fusión nuclear = Atomistic simulation of liquid metals and alloys for nuclear fusion reactors

La presente tesis comprende un estudio de metales líquidos, Li, Pb y eutéctico Li17Pb en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear. Uno de los problemas fundamentales en futuros reactores de fusión es la producción y extracción de tritio en la denominada envoltura regeneradora (blanket en inglés). Dicho blanket tendrá dos propósitos, la extracción del calor generado por las reacciones de fusión para su posterior conversión en energía eléctrica así como la producción de tritio para realimentar el proceso. Dicha producción se realizará mediante el “splitting” del Li con los neutrones provenientes de la fusión. Esta reacción produce tritio y helio por lo que la interacción del T y el He con el metal líquido, con los materiales estructurales así como con el He es un problema fundamental aun no bien entendido y de gran importancia para futuros diseños. Los capítulos 1 2 y 3 presentan una introducción a dichos problemas. El capítulo 1 introduce al lector en la tecnología de fusión nuclear. El segundo capítulo explica en mayor detalle el uso de metales líquidos en reactores de fusión, no solo en blankets sino también como primera pared, divertor etc, lo que se denomina en general “plasma facing materials”. Por último se ofrece una breve introducción a las técnicas de dinámica molecular clásica (CMD) y un breve resumen de los potenciales más usados. El estudio se ha llevado a cabo utilizando simulación atomística mediante potenciales semi-empíricos del tipo átomo embebido (EAM). La Tesis consta de 4 partes bien definidas. En primer lugar se verificó la idoneidad de los potenciales tipo EAM para simular las propiedades de los metales Li y Pb en fase líquida. Dicho estudio se detalla en el Capítulo 4 y en su extensión, el Apéndice 1, en el que se estudia los límites de validez de esta aproximación. Los resultados de dicho estudio han sido publicados y presentados en diversos congresos internacionales. Un resumen de la metodología seguida fue publicado como capítulo de libro en Technofusión 2011. Los resultados se presentaron en diversos congresos internacionales, entre ellos ICENES 2011, (Artículo en ICENES Proceedings) ICOPS-SOFE 2011, en una presentación oral etc. El trabajo ha sido aceptado recientemente en Journal of Nuclear Materiales (Fraile et al 2012). La segunda parte y más importante comprende el desarrollo de un potencial para el estudio de la mezcla de ambos metales. Éste es el trabajo más novedoso e importante dado que no existía en la literatura un potencial semejante. Se estudiaron dos aproximaciones distintas al problema, un potencial tipo EAM/cd y un potencial EAM/alloy. Ambos potenciales dan resultados satisfactorios para la simulación del eutéctico (y concentraciones de Li menores que el 17%). Sin embargo el sistema LiPb en todas las concentraciones es un sistema que se aparta enormemente de una solución ideal y dicho potencial no daba buenos resultados para mezclas PbLi con concentraciones de Li grandes. Este problema fue solventado mediante el desarrollo de un segundo potencial, esta vez tipo EAM/alloy (segunda parte del Capítulo 5). Dicho trabajo será enviado a Physical Review Letters o a Phys. Rev. B, y una extensión junto con un estudio detallado de las propiedades del eutéctico de acuerdo con nuestras simulaciones se enviará a continuación a Phys. Rev. B. En tercer lugar se estudió el problema de la difusividad del H en metales líquidos aprovechando distintos potenciales existentes en la literatura. El problema del H en metales líquidos es importante en metalurgia. En dicho capítulo se estudió la difusividad del H en Pd, Ni y Al con potenciales tipo EAM, y también con un potencial más sofisticado que tiene en cuenta la dependencia angular de las interacciones (ADP por sus siglas en inglés). De este modo disponemos de un estudio detallado del problema con diferentes modelos y diferentes metales. La conclusión apunta a que si se compara con los resultados experimentales (muy escasos) los resultados obtenidos mediante CMD dan valores bajos de la difusividad del H. Las razones de dicho desacuerdo entre simulación y experimentos se detallan en el Capítulo 6. Este trabajo ha sido presentado en una presentación oral en el reciente congreso internacional “Trends on Nanothecnology” TNT 2012 celebrado en Madrid. El trabajo será publicado en un futuro próximo. Por último, como se dijo anteriormente, el estudio del He, la formación de burbujas en metales líquidos, su difusión nucleación y cavitación es otro problema deseable de ser estudiado mediante técnicas atomísticas. Para ello es necesario el desarrollo de diversos potenciales, He-Li, He-Pb y un potencial ternario Pb-Li-He. Para ello se han realizado simulación ab initio de los sistemas Pb+He y Li+He. Dicho estudio pretende calcular las fuerzas entre los átomos del metal (Pb o Li) con intersticiales de He. De este modo aplicaremos el “force matching method” (FMM) para el desarrollo de dichos potenciales. En el Capítulo 7 se detallan los resultados obtenidos referidos a las posiciones más favorables de las impurezas de He dentro de redes cristalinas de Pb y Li así como el efecto de tener en cuenta el acoplo spin-orbita (SOC en inglés). El análisis de los resultados en términos de transferencia de carga y análisis de las densidades electrónicas, así como la creación de los potenciales mencionados está en progreso. En conjunto la tesis presenta un estudio de los diversos problemas relacionados con el uso de metales líquidos en reactores de fusión y representa un primer paso en la determinación de parámetros de gran importancia para el diseño de blankets y sistemas de primera pared. Con la simulación MD de dichos problemas mediante, importante, potenciales realistas, valores de difusión, solubilidad etc de especies ligeras, H (o sus isotopos) y He en metales líquidos podrá ser calculada complementando así la base de datos que presenta enormes incertidumbres.

Plasma–wall interaction in laser inertial fusion reactors: novel proposals for radiation tests of first wall materials

Dry-wall laser inertial fusion (LIF) chambers will have to withstand strong bursts of fast charged particles which will deposit tens of kJ m−2 and implant more than 1018 particles m−2 in a few microseconds at a repetition rate of some Hz. Large chamber dimensions and resistant plasma-facing materials must be combined to guarantee the chamber performance as long as possible under the expected threats: heating, fatigue, cracking, formation of defects, retention of light species, swelling and erosion. Current and novel radiation resistant materials for the first wall need to be validated under realistic conditions. However, at present there is a lack of facilities which can reproduce such ion environments. This contribution proposes the use of ultra-intense lasers and high-intense pulsed ion beams (HIPIB) to recreate the plasma conditions in LIF reactors. By target normal sheath acceleration, ultra-intense lasers can generate very short and energetic ion pulses with a spectral distribution similar to that of the inertial fusion ion bursts, suitable to validate fusion materials and to investigate the barely known propagation of those bursts through background plasmas/gases present in the reactor chamber. HIPIB technologies, initially developed for inertial fusion driver systems, provide huge intensity pulses which meet the irradiation conditions expected in the first wall of LIF chambers and thus can be used for the validation of materials too.

Plasma–wall interaction in laser inertial fusion reactors: novel proposals for radiation tests of first wall materials

Dry-wall laser inertial fusion (LIF) chambers will have to withstand strong bursts of fast charged particles which will deposit tens of kJ m−2 and implant more than 1018 particles m−2 in a few microseconds at a repetition rate of some Hz. Large chamber dimensions and resistant plasma-facing materials must be combined to guarantee the chamber performance as long as possible under the expected threats: heating, fatigue, cracking, formation of defects, retention of light species, swelling and erosion. Current and novel radiation resistant materials for the first wall need to be validated under realistic conditions. However, at present there is a lack of facilities which can reproduce such ion environments. This contribution proposes the use of ultra-intense lasers and high-intense pulsed ion beams (HIPIB) to recreate the plasma conditions in LIF reactors. By target normal sheath acceleration, ultra-intense lasers can generate very short and energetic ion pulses with a spectral distribution similar to that of the inertial fusion ion bursts, suitable to validate fusion materials and to investigate the barely known propagation of those bursts through background plasmas/gases present in the reactor chamber. HIPIB technologies, initially developed for inertial fusion driver systems, provide huge intensity pulses which meet the irradiation conditions expected in the first wall of LIF chambers and thus can be used for the validation of materials too.

Nanostructured tungsten as a first wall material for the future nuclear fusion reactors

The lack of materials able to withstand the severe radiation conditions (high thermal loads and atomistic damage) expected in fusion reactors is the actual bottle neck for fusion to become a reality. The main requisite for plasma facing materials (PFM) is to have excellent structural stability since severe cracking or mass loss would hamper their protection role which turns out to be unacceptable. Additional practical requirements for plasma facing materials are among others: (i) high thermal shock resistance, (ii) high thermal conductivity (iii) high melting point (iv) low physical and chemical sputtering, and (v) low tritium retention.

Microstructural and mechanical characterization of tungsten based materials for fusion reactors

El wolframio (W) y sus aleaciones se consideran los mejores candidatos para la construcción del divertor en la nueva generación de reactores de fusión nuclear. Este componente va a recibir las cargas térmicas más elevadas durante el funcionamiento del reactor ya que estará en contacto directo con el plasma. En los últimos años, después de un profundo análisis y siguiendo una estrategia de reducción de costes, la Organización de ITER tomó la decisión de construir el divertor integramente de wolframio desde el principio. Por ello, el wolframio no sólo actuará como material en contacto con el plasma (PFM), sino que también tendría aplicaciones estructurales. El wolframio, debido a sus excelentes propiedades termo-físicas, cumple todos los requerimientos para ser utilizado como PFM, sin embargo, su inherente fragilidad pone en peligro su uso estructural. Por tanto, uno de los principales objetivos de esta tesis es encontrar una aleación de wolframio con menor fragilidad. Durante éste trabajo, se realizó la caracterización microstructural y mecánica de diferentes materiales basados en wolframio. Sin embargo, ésta tarea es un reto debido a la pequeña cantidad de material suministrado, su reducido tamaño de grano y fragilidad. Por ello, para una correcta medida de todas las propiedades físicas y mecánicas se utilizaron diversas técnicas experimentales. Algunas de ellas se emplean habitualmente como la nanoindentación o los ensayos de flexión en tres puntos (TPB). Sin embargo, otras fueron especificamente desarrolladas e implementadas durante el desarrollo de esta tesis como es el caso de la medida real de la tenacidad de fractura en los materiales masivos, o de las medidas in situ de la tenacidad de fractura en las láminas delgadas de wolframio. Diversas composiciones de aleaciones de wolframio masivas (W-1% Y2O3, W-2% V-0.5% Y2O3, W-4% V-0.5% Y2O3, W-2% Ti-1% La2O3 y W-4% Ti-1% La2O3) se han estudiado y comparado con un wolframio puro producido en las mismas condiciones. Estas aleaciones, producidas por ruta pulvimetalúrgica de aleado mecánico (MA) y compactación isostática en caliente (HIP), fueron microstructural y mecánicamente caracterizadas desde 77 hasta 1473 K en aire y en alto vacío. Entre otras propiedades físicas y mecánicas se midieron la dureza, el módulo elástico, la resistencia a flexión y la tenacidad de fractura para todas las aleaciones. Finalmente se analizaron las superficies de fractura después de los ensayos de TPB para relacionar los micromecanismos de fallo con el comportamiento macroscópico a rotura. Los resultados obtenidos mostraron un comportamiento mecánico frágil en casi todo el intervalo de temperaturas y para casi todas las aleaciones sin mejoría de la temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT). Con el fin de encontrar un material base wolframio con una DBTT más baja se realizó también un estudio, aún preliminar, de láminas delgadas de wolframio puro y wolframio dopado con 0.005wt.% potasio (K). Éstas láminas fueron fabricadas industrialmente mediante sinterizado y laminación en caliente y en frío y se sometieron posteriormente a un tratamiento térmico de recocido desde 1073 hasta 2673 K. Se ha analizado la evolución de su microestructura y las propiedades mecánicas al aumentar la temperatura de recocido. Los resultados mostraron la estabilización de los granos de wolframio con el incremento de la temperatura de recocido en las láminas delgadas de wolframio dopado con potasio. Sin embargo, es necesario realizar estudios adicionales para entender mejor la microstructura y algunas propiedades mecánicas de estos materiales, como la tenacidad de fractura. Tungsten (W) and tungsten-based alloys are considered to be the best candidate materials for fabricating the divertor in the next-generation nuclear fusion reactors. This component will experience the highest thermal loads during the operation of a reactor since it directly faces the plasma. In recent years, after thorough analysis that followed a strategy of cost reduction, the ITER Organization decided to built a full-tunsgten divertor before the first nuclear campaigns. Therefore, tungsten will be used not only as a plasma-facing material (PFM) but also in structural applications. Tungsten, due to its the excellent thermo-physical properties fulfils the requirements of a PFM, however, its use in structural applications is compromised due to its inherent brittleness. One of the objectives of this phD thesis is therefore, to find a material with improved brittleness behaviour. The microstructural and mechanical characterisation of different tunsgten-based materials was performed. However, this is a challenging task because of the reduced laboratory-scale size of the specimens provided, their _ne microstructure and their brittleness. Consequently, many techniques are required to ensure an accurate measurement of all the mechanical and physical properties. Some of the applied methods have been widely used such as nanoindentation or three-point bending (TPB) tests. However, other methods were specifically developed and implemented during this work such as the measurement of the real fracture toughness of bulk-tunsgten alloys or the in situ fracture toughness measurements of very thin tungsten foils. Bulk-tunsgten materials with different compositions (W-1% Y2O3, W-2% V- 0.5% Y2O3, W-4% V-0.5% Y2O3, W-2% Ti-1% La2O3 and W-4% Ti-1% La2O3) were studied and compared with pure tungsten processed under the same conditions. These alloys, produced by a powder metallurgical route of mechanical alloying (MA) and hot isostatic pressing (HIP), were microstructural and mechanically characterised from 77 to 1473 K in air and under high vacuum conditions. Hardness, elastic modulus, flexural strength and fracture toughness for all of the alloys were measured in addition to other physical and mechanical properties. Finally, the fracture surfaces after the TPB tests were analysed to correlate the micromechanisms of failure with the macroscopic behaviour. The results reveal brittle mechanical behaviour in almost the entire temperature range for the alloys and micromechanisms of failure with no improvement in the ductile-brittle transition temperature (DBTT). To continue the search of a tungsten material with lowered DBTT, a preliminary study of pure tunsgten and 0.005 wt.% potassium (K)-doped tungsten foils was also performed. These foils were industrially produced by sintering and hot and cold rolling. After that, they were annealed from 1073 to 2673 K to analyse the evolution of the microstructural and mechanical properties with increasing annealing temperature. The results revealed the stabilisation of the tungsten grains with increasing annealing temperature in the potassium-doped tungsten foil. However, additional studies need to be performed to gain a better understanding of the microstructure and mechanical properties of these materials such as fracture toughness.

Low-energy d plus d fusion reactions via the Trojan Horse Method

The bare nucleus S(E) factors for the (2)H(d, p)(3)H and (2)H(d.n)(3)He reactions have been measured for the first time via the Trojan Horse Method off the proton in (3)He from 1.5 MeV down to 2 key. This range overlaps with the relevant region for Standard Big Bang Nucleosynthesis as well as with the thermal energies of future fusion reactors and deuterium burning in the Pre-Main-Sequence phase of stellar evolution. This is the first pioneering experiment in quasi free regime where the charged spectator is detected. Both the energy dependence and the absolute value of the S(E) factors deviate by more than 15% from available direct data with new S(0) values of 57.4 +/- 1.8 MeVb for (3)H + p and 60.1 +/- 1.9 MeV b for (3)He + n. None of the existing fitting curves is able to provide the correct slope of the new data in the full range, thus calling for a revision of the theoretical description. This has consequences in the calculation of the reaction rates with more than a 25% increase at the temperatures of future fusion reactors. (C) 2011 Elsevier By. All rights reserved.

Electromagnetic Instability Studies in Fusion Plasmas Edge

Este trabajo esta dedicado al estudio de las estructuras macroscópicas conocidas en la literatura como filamentos o blobs que han sido observadas de manera universal en el borde de todo tipo de dispositivos de fusión por confinamiento magnético. Estos filamentos, celdas convectivas elongadas a lo largo de las líneas de campo que surgen en el plasma fuertemente turbulento que existe en este tipo de dispositivos, parecen dominar el transporte radial de partículas y energía en la región conocida como Scrape-off Layer, en la que las líneas de campo dejan de estar cerradas y el plasma es dirigido hacia la pared sólida que forma la cámara de vacío. Aunque el comportamiento y las leyes de escala de estas estructuras son relativamente bien conocidos, no existe aún una teoría generalmente aceptada acerca del mecanismo físico responsable de su formación, que constituye una de las principales incógnitas de la teoría de transporte del borde en plasmas de fusión y una cuestión de gran importancia práctica en el desarrollo de la siguiente generación de reactores de fusión (incluyendo dispositivos como ITER y DEMO), puesto que la eficiencia del confinamiento y la cantidad de energía depositadas en la pared dependen directamente de las características del transporte en el borde. El trabajo ha sido realizado desde una perspectiva eminentemente experimental, incluyendo la observación y el análisis de este tipo de estructuras en el stellarator tipo heliotrón LHD (un dispositivo de gran tamaño, capaz de generar plasmas de características cercanas a las necesarias en un reactor de fusión) y en el stellarator tipo heliac TJ-II (un dispositivo de medio tamaño, capaz de generar plasmas relativamente más fríos pero con una accesibilidad y disponibilidad de diagnósticos mayor). En particular, en LHD se observó la generación de filamentos durante las descargas realizadas en configuración de alta _ (alta presión cinética frente a magnética) mediante una cámara visible ultrarrápida, se caracterizó su comportamiento y se investigó, mediante el análisis estadístico y la comparación con modelos teóricos, el posible papel de la Criticalidad Autoorganizada en la formación de este tipo de estructuras. En TJ-II se diseñó y construyó una cabeza de sonda capaz de medir simultáneamente las fluctuaciones electrostáticas y electromagnéticas del plasma. Gracias a este nuevo diagnóstico se pudieron realizar experimentos con el fin de determinar la presencia de corriente paralela a través de los filamentos (un parámetro de gran importancia en su modelización) y relacionar los dos tipos de fluctuaciones por primera vez en un stellarator. Así mismo, también por primera vez en este tipo de dispositivo, fue posible realizar mediciones simultáneas de los tensores viscoso y magnético (Reynolds y Maxwell) de transporte de cantidad de movimiento. ABSTRACT This work has been devoted to the study of the macroscopic structures known in the literature as filaments or blobs, which have been observed universally in the edge of all kind of magnetic confinement fusion devices. These filaments, convective cells stretching along the magnetic field lines, arise from the highly turbulent plasma present in this kind of machines and seem to dominate radial transport of particles and energy in the region known as Scrapeoff Layer, in which field lines become open and plasma is directed towards the solid wall of the vacuum vessel. Although the behavior and scale laws of these structures are relatively well known, there is no generally accepted theory about the physical mechanism involved in their formation yet, which remains one of the main unsolved questions in the fusion plasmas edge transport theory and a matter of great practical importance for the development of the next generation of fusion reactors (including ITER and DEMO), since efficiency of confinement and the energy deposition levels on the wall are directly dependent of the characteristics of edge transport. This work has been realized mainly from an experimental perspective, including the observation and analysis of this kind of structures in the heliotron stellarator LHD (a large device capable of generating reactor-relevant plasma conditions) and in the heliac stellarator TJ-II (a medium-sized device, capable of relatively colder plasmas, but with greater ease of access and diagnostics availability). In particular, in LHD, the generation of filaments during high _ discharges (with high kinetic to magnetic pressure ratio) was observed by means of an ultrafast visible camera, and the behavior of this structures was characterized. Finally, the potential role of Self-Organized Criticality in the generation of filaments was investigated. In TJ-II, a probe head capable of measuring simultaneously electrostatic and electromagnetic fluctuations in the plasma was designed and built. Thanks to this new diagnostic, experiments were carried out in order to determine the presence of parallel current through filaments (one of the most important parameters in their modelization) and to related electromagnetic (EM) and electrostatic (ES) fluctuations for the first time in an stellarator. As well, also for the first time in this kind of device, measurements of the viscous and magnetic momentum transfer tensors (Reynolds and Maxwell) were performed.

Application of Ultraintense Lasers to validate materials for laser fusion: production of ions and other relevant species

Justification of the need and demand of experimental facilities to test and validate materials for first wall in laser fusion reactors - Characteristics of the laser fusion products - Current ?possible? facilities for tests Ultraintense Lasers as ?complete? solution facility - Generation of ion pulses - Generation of X-ray pulses - Generation of other relevant particles (electrons, neutrons..)

Plasma facing materials for fusion reactor applications

The lack of plasma facing materials (PFM) able to withstand the severe magnetiicffusiion radiation conditions expected in fusion reactors is the actual bottle In both fusions approaches energy is released in the form of kinetic energy of neck for fusion to becomes a reality.

Review of the magnetic fusion program of the Department of Energy : hearing before the Subcommittee on Fossil and Nuclear Energy Research, Development and Demonstration of the Committee on Science and Technology, U.S. House of Representatives, Ninety-fifth Congress, second session, September 18, 1978.

"No. 86."

Plasma confinement in tokamaks with robust torus

We present a non-linear symplectic map that describes the alterations of the magnetic field lines inside the tokamak plasma due to the presence of a robust torus (RT) at the plasma edge. This RT prevents the magnetic field lines from reaching the tokamak wall and reduces, in its vicinity, the islands and invariant curve destruction due to resonant perturbations. The map describes the equilibrium magnetic field lines perturbed by resonances created by ergodic magnetic limiters (EMLs). We present the results obtained for twist and non-twist mappings derived for monotonic and non-monotonic plasma current density radial profiles, respectively. Our results indicate that the RT implementation would decrease the field line transport at the tokamak plasma edge. © 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Thermal diffusion profile by NRA of Deuterium implanted in solid breeder blanket materials

This paper studies the relationship between aging, physical changes and the results of non-destructive testing of plywood. 176 pieces of plywood were tested to analyze their actual and estimated density using non-destructive methods (screw withdrawal force and ultrasound wave velocity) during a laboratory aging test. From the results of statistical analysis it can be concluded that there is a strong relationship between the non-destructive measurements carried out, and the decline in the physical properties of the panels due to aging. The authors propose several models to estimate board density. The best results are obtained with ultrasound. A reliable prediction of the degree of deterioration (aging) of board is presented. Breeder blanket materials have to produce tritium from lithium while fulfilling several strict conditions. In particular, when dealing with materials to be applied in fusion reactors, one of the key questions is the study of light ions retention, which can be produced by transmutation reactions and/or introduced by interaction with the plasma. In ceramic breeders the understanding of the hydrogen isotopes behaviour and specially the diffusion of tritium to the surface is crucial. Moreover the evolution of the microstructure during irradiation with energetic ions, neutrons and electrons is complex because of the interaction of a high number of processes.

Assessment of Content of Tritium, Other Hydrogen Isotopes and Helium in a W Armor for an Experimental HIPER Chamber

Tritium breeding is an essential component of future fusion nuclear reactors. Nuclear fusion reactors require Kg quantities of tritium per year of operation.

Design and analysis of helium Brayton power cycles for HiPER reactor

Helium Brayton cycles have been studied as power cycles for both fission and fusion reactors obtaining high thermal efficiency. This paper studies several technological schemes of helium Brayton cycles applied for the HiPER reactor proposal. Since HiPER integrates technologies available at short term, its working conditions results in a very low maximum temperature of the energy sources, something that limits the thermal performance of the cycle. The aim of this work is to analyze the potential of the helium Brayton cycles as power cycles for HiPER. Several helium Brayton cycle configurations have been investigated with the purpose of raising the cycle thermal efficiency under the working conditions of HiPER. The effects of inter-cooling and reheating have specifically been studied. Sensitivity analyses of the key cycle parameters and component performances on the maximum thermal efficiency have also been carried out. The addition of several inter-cooling stages in a helium Brayton cycle has allowed obtaining a maximum thermal efficiency of over 36%, and the inclusion of a reheating process may also yield an added increase of nearly 1 percentage point to reach 37%. These results confirm that helium Brayton cycles are to be considered among the power cycle candidates for HiPER.

Microstructure and mechanical properties at high temperature of SiC-matrix by electrophoretic deposition and polymer infiltration and pyrolysis process

The EFDA-ITER programme for materials wants to develop new structural materials for future nuclear magnetic fusion reactors. In this context, special attention must be paid in the development of new composite materials that could support the hard working conditions of the nuclear fusion reactors: high temperature, high stresses, and high radiation.