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Nov 26, 2023

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 16042 (2015) Citar este artigo

O conhecimento da evolução das propriedades mecânicas e físicas devido aos danos da irradiação é essencial para o desenvolvimento de futuros reatores de fissão e fusão. A irradiação iônica fornece um excelente proxy para estudar os danos da irradiação, permitindo altas doses de danos sem ativação da amostra. A profundidade limitada de penetração de íons significa que apenas camadas danificadas com alguns mícrons de espessura são produzidas. Um esforço substancial tem sido dedicado à sondagem das propriedades mecânicas destas finas camadas implantadas. No entanto, embora sejam fundamentais para a concepção de reactores, as suas propriedades de transporte térmico permanecem largamente inexploradas devido à falta de técnicas de medição adequadas. Aqui demonstramos medições de difusividade térmica sem contato em tungstênio implantado com íons para armadura de fusão nuclear. A liga com elementos de transmutação e a interação do gás retido com defeitos induzidos pela implantação levam a reduções dramáticas na difusividade térmica. Essas mudanças são bem capturadas por nossas abordagens de modelagem. Nossas observações têm implicações importantes para o projeto de futuras usinas de fusão.

A fusão nuclear é uma fonte de energia sustentável ideal. Um grande obstáculo ao seu desenvolvimento comercial é a disponibilidade de materiais suficientemente resilientes. As ligas à base de tungstênio são as principais candidatas para componentes voltados para plasma em futuros reatores de fusão por confinamento magnético1. Em um reator de demonstração (DEMO) eles serão expostos a altas temperaturas (~1500 K), irradiação com nêutrons de fusão de 14,1 MeV e grande fluxo de íons energéticos (até 15 MWm−2)2,3. A alta condutividade térmica é um dos principais critérios de seleção de materiais4. Uma degradação significativa da condutividade térmica pode resultar em temperaturas excessivas com consequências potencialmente desastrosas para a integridade da armadura de fusão5.

A exposição da armadura de fusão a nêutrons de 14,1 MeV leva a danos em cascata e ligas de transmutação. Os cálculos indicam que após 5 anos de operação, o tungstênio (W) inicialmente puro em um divertor DEMO conteria até 4% atômico de rênio (Re)6. Uma liga W-5%Re tem menos da metade da difusividade térmica à temperatura ambiente do tungstênio puro7,8. Quantificar os efeitos dos danos da cascata de nêutrons de fusão na condutividade térmica é mais difícil. Como substituto, o transporte térmico no tungstênio irradiado com nêutrons de fissão foi considerado9,10. Um nível de dano de 0,6 deslocamentos por átomo (dpa), que seria alcançado em 3 meses no DEMO6, causou uma redução da condutividade térmica da temperatura ambiente em 25%10.

Um papel interessante é desempenhado pelo hélio, que é formado por transmutação6 e também é implantado a partir do plasma na matriz de tungstênio. A temperaturas elevadas, o hélio migra das superfícies para o volume e interage fortemente com os defeitos induzidos pela irradiação , ligando-se às vagas 12,13 e suprimindo a sua recombinação com átomos auto-intersticiais (SIAs) . A implantação de íons de hélio é uma ferramenta eficiente para estudar essa interação e grande esforço tem sido investido no desenvolvimento de abordagens micromecânicas capazes de quantificar as propriedades mecânicas de camadas implantadas de íons micron-finas .

As propriedades de transporte térmico de camadas danificadas por íons, no entanto, ainda são amplamente inexploradas devido à falta de técnicas experimentais adequadas. As referências citadas acima utilizaram uma técnica de flash laser8,9,10 ou medições de resistividade elétrica7. Ambos são adequados apenas para amostras em massa. Recentemente, duas novas abordagens, a técnica 3-ômega e medições de refletância térmica 20,21, foram propostas para quantificar o transporte térmico em finas camadas superficiais irradiadas por íons. O primeiro exigiu a deposição de características superficiais complexas na amostra e mostrou incertezas experimentais significativas. Este último exigia que as amostras fossem revestidas e a profundidade sondada dependia da difusividade térmica, a priori desconhecida.

Aqui apresentamos uma abordagem nova e totalmente diferente para medir as propriedades de transporte térmico de materiais implantados com íons. Usando a técnica de grade transitória induzida por laser (TG) sem contato, quantificamos a difusividade térmica em camadas de poucos mícrons de espessura de tungstênio implantado com hélio. O efeito da liga de transmutação é imitado considerando ligas de tungstênio-rênio. Em ambos os tipos de amostras encontramos mudanças substanciais na difusividade térmica. Eles são analisados ​​usando um modelo de teoria cinética, fornecendo informações sobre a distribuição subjacente dos defeitos. Nossos resultados são discutidos à luz das práticas atuais de projeto para futuros reatores de fusão.