Materiales. Seguridad y Protección Radiológica

Materiales

El estudio de materiales capaces de operar bajo severas condiciones de irradiación en una central nuclear de fusión es de suma importancia para el desarrollo de las tecnologías necesarias para generar electricidad mediante reacciones de fusión nuclear. De hecho, hoy en día, podemos encontrar cuellos de botella en varios campos debido a la falta de materiales adecuados.

El grupo de materiales del Instituto de Fusión Nuclear tiene como misión el desarrollo, caracterización, calificación y modelado de materiales existentes y nuevos para aplicaciones en Fusión Nuclear. En particular, el grupo participa activamente en el proyecto europeo de fusión láser HiPER, en diferentes aspectos, como el diseño de la cámara, la selección de materiales, el desarrollo de nuevos materiales, la validación experimental de los materiales, el desarrollo de tecnología de centrales eléctricas y la simulación computacional.

Esquema de planta de energía del Proyecto europeo HiPER que tiene como objetivo desarrollar un láser de fusión

Mapas de distribución de elementos en aceros ODS obtenidos por la técnica de haz de iones PIXE. Estos aceros tienen aplicación en la fusión nuclear como material estructural debido a su alta resistencia al bombardeo de neutrones.

En muchos casos, los estudios que llevamos a cabo encuentran una aplicación tanto en fusión láser como en fusión magnética. Por ejemplo, el desarrollo de materiales estructurales para la operación bajo irradiación de neutrones es hasta cierto punto similar en ambos casos.

Sin embargo, en otros casos, tratamos aspectos específicos de uno de los enfoques de fusión. Por ejemplo, el estudio de materiales para lentes finales en una planta de energía de fusión láser presenta algunas características ausentes en las plantas de fusión magnética, como la naturaleza pulsada de la irradiación de iones, neutrones y rayos X o el bombardeo con grupos de partículas (metralla).

Perfil de temperatura en estado estacionario a lo largo de una lente sujeta a bombardeo de neutrones. El estudio se ha llevado a cabo mediante códigos de transporte de radiación y códigos de simulación con métodos de elementos finitos

El desafío final es integrar en un esquema realista los diferentes problemas relacionados con los materiales que encontramos. El siguiente esquema muestra una sección de la cámara donde se pueden visualizar diferentes elementos: una primera pared para acomodar la radiación entrante, un acero estructural, una región enfriada con helio y una manta de metal líquido para la cría de tritio.

Aunque los estudios sobre materiales a menudo están orientados a aplicaciones en fusión nuclear, sin duda, estos estudios son de interés para otros campos. En este sentido, por ejemplo, el desarrollo llevado a cabo para construir una instalación experimental para estudios de corrosión por metales líquidos tiene una clara aplicación en la fusión nuclear para el estudio de mantas de reproducción líquida, y además, es apropiado para estudios en otros campos. de ingeniería: estudio de recubrimientos anticorrosivos, aplicaciones energéticas, colectores, turbinas, reactores de generación IV.

Uno de nuestros puntos fuertes se basa en la simulación multiescala, que aplicamos a diferentes materiales y condiciones experimentales. Realizamos estudios mediante métodos de elementos finitos (FE) sobre la respuesta termomecánica de materiales bajo irradiación. Estudios sobre la evolución del daño inducido por irradiación en tungsteno y acero con los métodos cinéticos de Monte Carlo (OKMC). A nivel atomístico, realizamos estudios en varios materiales mediante técnicas de dinámica molecular (MD). Y, por último, aplicamos la teoría de la densidad funcional (DFT) a estudios detallados sobre sistemas complejos como los sólidos a altas presiones (cientos de GPa). Un ejemplo es la compresión de objetivos de combustible en fusión láser.

Representación esquemática de la compresión de hidrógeno sólido para aplicaciones de objetivos de fusión láser.

Seguridad y Protección Radiológica

Una de las cuestiones clave de investigación de la nueva era energética futura sería el impacto ambiental de las instalaciones de fusión que gestionan un kilogramo de tritio. El cambio potencial de los límites regulatorios de dosis comprometidos junto con la implementación de principios de diseño nuclear (ALARA, DiD) para las instalaciones de fusión podría tener un fuerte impacto en el costo de implementación de la próxima tecnología de fusión Modelado agudo de formas de transporte de tritio ambiental (HT, HTO) para La evaluación del impacto dosimétrico de las instalaciones de fusión en casos accidentales y condiciones normales parece ser de gran interés.

El desafío final es integrar en un esquema realista los diferentes problemas relacionados con los materiales que encontramos. El siguiente esquema muestra una sección de la cámara donde se pueden visualizar diferentes elementos: una primera pared para acomodar la radiación entrante, un acero estructural, una región enfriada con helio y una manta de metal líquido para la cría de tritio.