REACCIONES DE FUSION NUCLEAR

Autor: MALERBA LORENZO.
Año: 1999.
Universidad: POLITECNICA DE MADRID.
Centro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALES.
Centro de realización: INSTITUTO DE FUSION NUCLEAR.

Resumen: La viabilidad de los futuros reactores de fusión nuclear depende en gran medida de la posibilidad de desarrollar materiales capaces de soportar las condiciones de irradiación extremas a las que se verian sometidos en un reactor, activandose además lo menos posible. El carburo de silicio (SiC), material cerámico refractario capaz de conservar inalteradas sus buenas propiedades termomecánicas hasta temperaturas superiores a los 1000 K, ha sido seleccionado desde hace tiempo como candidato para material estructural de la primera pared y envoltura de un reactor de fusión, por su comprobada baja activación en entornos irradiados. Sin embargo, queda por ver si su respuesta a la irradiación, en particular neutronica, es adecuada, esto es, si sus propiedades termomecánicas se conservan de forma satisfactoria bajo irradiación intensa y prolongada. Hoy en día los expertos coinciden en sostener que un estudio de los efectos de la radiación en los materiales que tenga como objetivo conseguir capacidad predictiva no puede prescindir de un entendimiento detallado de los multiples y complejos sucesos microscopicos que tienen lugar en el material irradiado. Desgraciadamente, a traves de experimentos es muy dificil, si no imposible, obtener información directa sobre el estado de daño producido por la radiación, debido a la corta duración de fenómenos como las cascadas de desplazamientos(pocos picosegundos) y a la minúscula escala espacial abarcada por los defectos primarios (pocos nanometros). Las simulaciones atomísticas computacionales, gracias a la creciente capacidad de calculo ofrecida por las maquinas computadoras, constituyen en cambio una herramienta adecuada para esta tarea. En particular, la dinamica molecular (DM) es la tecnica computacional por excelencia para el estudio de la fase de producción de daño. El alma de esta metodología, que consiste en su esencia en la integración de las ecuaciones del movimiento para un conjunto de atomos, es el potencial interatómico. El potencial clasico semiempirico de Tersoff ha demostrado desde hace tiempo su capacidad para describir correctamente las propiedades del SiC. En esta tesis se emplea un modelo de DM basado en el potencial de Tersoff y optimizado para el analisis del daño por irradiación, para estudiar por primera vez de forma sistematica la fase de producción de defectos en el SiC irradiado. El trabajo empieza por el examen detallado del desplazamiento de un solo atomo golpeado, para analizar los defectos formados en función de la dirección de movimiento del atomo y de la temperatura de irraciación, determinando las correspondientes energias umbrales desplazamiento. Al intentar llevar a cabo esta ultima tarea, el estudio choca con las dificultades planteadas por el descubrimiento de la existencia de barreras a la recombinación de los pares de Frenkel, que permiten la formación de efectos metaestables y determinan la necesidad de definir dos umbrales, uno inferior y uno superior, planteando dudas acerca de la legitimidad del propio concepto de umbral de desplazamiento. El paso siguiente es examinar la producción simultánea y masiva de desplazamientos en cascada, para analizar cómo el numero de defectos generados depende de variables tales como la energía y la direción del atomo primario de retroceso (APR) y la temperatura de irradiación. Los resultados, en gran parte novedosos,proporcionan a la vez información cuantitativa de utilidad práctica y cualitativa capaz de contribuir a un conocimiento más profundo de los efectos de la radiación en el SiC. Finalmente se llega a considerar el caso de acumulación de cascadas en una misma región del material. Experimentalmente se sabe que esta última situación conduce a la amortización(metamictización) del material. La simulación ha sabido no solamente reproducir corectamente esta manifestación, sino también ofrecer una clave para la comprensión de los fenómenos microscópicos que llevan a la aparición del cambio de fase de cristalino a amorfo. Es más, los resultados de la simulación han dado lugar a la elaboración de un modelo analítico sencillo, capaz de interpolar correctamente curvas de datos experimentales. Tambien se ha empezado a calcular parámetros de energetica de defectos, con el objetivo futuro de pasar a simulaciones de difusión en el SiC por Monte Carlo. Para seguir con esta tarea se ha planteado la conveniencia de desarrollar un modelo de DM cuantica tight-binding, cuya elaboración acaba de comenzar.