Especies ligeras en materiales de interés para aplicaciones energéticas
- Autores: Pablo Díaz Rodríguez
- Directores de la Tesis: Antonio Rivera Mena (codir. tes.), Ovidio Peña Rodríguez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2020
- Idioma: español
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- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Uno de los principales problemas a solventar en el desarrollo de instalaciones de fusión nuclear es la falta de materiales capaces de soportar la exposición al plasma. De entre las distintas alternativas propuestas, el wolframio destaca como principal candidato gracias al atractivo de sus propiedades físicas, como alto punto de fusión, elevada conductividad térmica, buena resistencia química y baja retención de tritio. A pesar de todo, las condiciones de operación esperadas suponen un reto, tanto a nivel termomecánico como atomístico, ya que las condiciones de irradiación previstas pueden provocar una serie de efectos perjudiciales, destacando agrietamiento, hinchamiento, exfoliación, y, bajo ciertas condiciones, el crecimiento de nanoestructuras superficiales de baja densidad, conocidas como “fuzz”.
Las simulaciones computacionales han demostrado ser una buena herramienta para analizar el comportamiento de distintos materiales ante la irradiación iónica. Típicamente, se emplea el modelado multiescala secuencial, basado en el uso de diferentes metodologías computacionales de forma sucesiva, empleando los resultados obtenidos en cada paso como información de entrada para el siguiente, permitiendo acceder a regímenes imposibles de otra manera. Por ejemplo, un modelado multiescala secuencial que emplee cálculos de la teoría de la densidad del funcional (DFT), dinámica molecular (DM), aproximación de colisiones binarias (BCA) y Monte Carlo cinético de objetos (OKMC) es capaz de cubrir un espectro muy amplio en términos temporales (de picosegundos a horas, o incluso días) y espaciales (desde nanómetros hasta micrómetros).
El trabajo desarrollado en esta tesis se basa principalmente en el empleo de simulaciones computacionales de Monte Carlo cinético de objetos para analizar el efecto de las especies ligeras H y He en W, en su papel como material expuesto al plasma, prestando especial atención a la microestructura de la muestra y, más concretamente, a las fronteras de grano.
En primer lugar, se estudió la influencia de la densidad de fronteras de grano y la temperatura en la retención de H en W, reproduciéndose mediante OKMC experimentos de irradiación secuencial de C e H tanto en wolframio monocristalino (MW) como en wolframio nanoestructurado (NW), sometiendo las muestras a un calentamiento posterior a 473 K y 573 K. Los resultados mostraron que la presencia de fronteras de grano tiene una gran influencia en el número y distribución de vacantes generadas, siendo la concentración de las mismas superior en las muestras NW en el rango de temperaturas analizado. Además, el efecto de la temperatura se hace patente alrededor de los 573 K, momento en el que se activa la movilidad de las vacantes, reduciéndose la concentración de vacantes en muestras con fronteras de grano. En cuanto a la retención de hidrógeno, este se acumula en las vacantes presentes en el interior de los granos, formando aglomerados dependientes tanto de la temperatura como de la densidad de fronteras de grano. Finalmente, la comparación entre los resultados experimentales y los obtenidos mediante simulaciones OKMC permitieron deducir que las fronteras de grano estudiadas son capaces de actuar como canales preferenciales para el transporte de hidrógenos bajo las condiciones experimentales usadas, por lo que, en principio, se espera una mejor respuesta del material NW que el MW.
Con el objetivo de obtener una mejor interpretación de la fenomenología asociada a las fronteras de grano en NW, se realizaron una serie de medidas experimentales de permeación de hidrógeno en muestras de NW en un rango de temperaturas de 520 K a 705 K, y un rango de presiones de 105 Pa a 106 Pa. Los valores de permeabilidad obtenidos fueron superiores a los encontrados en bibliografía para muestras de W de tamaño de grano ostensiblemente mayor. Además, se llevaron a cabo diversas simulaciones OKMC empleando un modelo de intercara que permitía el atrapamiento y migración de los átomos de H a lo largo de las fronteras de grano, así como la modificación de la densidad de ocupación máxima de las mismas. Lo que permitió emular los experimentos realizados. Los resultados de las simulaciones reprodujeron los resultados experimentales, confirmando el papel de canales preferenciales para la migración de hidrógeno jugado por las fronteras de grano en esas muestras en el rango de temperatura indicado.
Por último, y teniendo en cuenta los prometedores resultados obtenidos con los materiales nanostructurados, se analizó teóricamente el comportamiento de un material nanoestructurado de alta porosidad basado en wolframio, nanoesferas huecas de wolframio (hNPs), en escenarios de irradiación realistas de instalaciones de fusión nuclear, tanto de confinamiento magnético (MCF) como de confinamiento inercial (ICF), empleando H y He. Se analizó la evolución de los defectos causados por irradiación mediante OKMC mientras que las propiedades termomecánicas de las hNPs fueron extraídas mediante simulaciones de DM. Las hNPs diseñadas son capaces de resistir temperaturas y presiones internas muy elevadas, presentando un comportamiento de autosanado ante la irradiación iónica fruto de sus pequeñas dimensiones y la presencia del hueco en la estructura, que permite la eliminación de H y He hacia el interior, lo que contribuye a disminuir el daño por irradiación y a mejorar sus propiedades mecánicas. Los análisis realizados arrojaron resultados prometedores en lo que a ICF se refiere, ya que las hNPs demostraron ser capaces de sobrevivir sin daños estructurales en condiciones atenuadas de ICF gracias al llenado lento de la cavidad y a la recuperación de su integridad estructural tras la liberación de la presión interna. Por el contrario, en condiciones MCF, aunque la hNP es capaz de eliminar el daño causado por la irradiación pese al elevado número de iones, el llenado de la hNP es excesivamente rápido, y provoca el colapso de la misma. Este estudio permitiría, de confirmarse experimentalmente los resultados, el establecimiento de nuevas rutas para el desarrollo de materiales nanoestructurados expuestos al plasma.
