Tesis:
Crecimiento y estudio de los efectos de la irradiación en wolframio nanoestructurado
- Autor: PANIZO LAIZ, Miguel
- Título: Crecimiento y estudio de los efectos de la irradiación en wolframio nanoestructurado
- Fecha: 2020
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/65772/
- Director/a 1º: GONZÁLEZ ARRABAL, Raquel
- Resumen: Hoy en día el wolframio (W) es uno de los materiales candidatos propuestos para formar parte de la primera pared (PFM) para reactores de fusión por confinamiento inercial (ICF) y del divertor en fusión por confinamiento magnético (MCF). Esto es debido a su alto punto de fusión, su alta conductividad térmica, o su bajo coeficiente de pulverización física. A pesar de sus buenas propiedades, el W presenta algunos inconvenientes importantes, entre los que destacan su alta temperatura de transición dúctil-frágil, su bajo límite elástico, la oxidación que experimenta a temperaturas elevadas, su baja temperatura de recristalización y una alta y muy perjudicial capacidad para retener fácilmente especies ligeras, principalmente hidrógeno (H) y helio (He) que puede dar lugar a la formación de ampollas, grietas y a la exfoliación de la superficie. De entre todos ellos, este último es el más crítico pues es el que limita el tiempo de vida del PFM. Estudios previos, muestran que bajo las condiciones previstas de operación en reactores de ICF en configuración de blanco directo (altos flujos de entre 1022m−2 s−1 y 1025m−2 s−1 de iones de alta energía keV-MeV, con una duración de cientos a miles de ns) el W comercial de grano grueso no va a funcionar, por diversos motivos: excesivo calentamiento por encima de la temperatura de recristalización, fatiga, acumulación de especies ligeras en su interior que va a producir, a bajas fluencias de irradiación (segundos después de la puesta en marcha del reactor) agrietamiento y exfoliación, lo que es inaceptable para un PFM. Por lo tanto, para hacer la fusión una realidad se necesita desarrollar PFM más resistentes a irradiación. Una de las alternativas propuestas al uso de W de grano grueso es el uso de materiales nanoestructurados. En general, es bien conocido que bajo determinadas condiciones los materiales nanoestructurados presentan una mayor resistencia a la irradiación que se debe a que la gran densidad de bordes de grano (GBs) favorece la aniquilación de átomos autointersticiales y vacantes (Vs), promoviendo el comportamiento de autosanado. En el caso de los PFM, además es importante conocer cuál es la influencia de los GBs en el comportamiento de las especies ligeras. En la primera parte de la tesis se presenta una optimización del proceso de pulverización catódica asistida por magnetrón en corriente continua (DC magnetrón sputtering) que en condiciones fácilmente escalables a nivel industrial, permite fabricar recubrimientos de W nanoestructurado (NW). En esta parte se estudia la adhesión de los recubrimientos de NW a sustratos de acero en función de la rugosidad de los mismos, y se analiza cual es la influencia de la presencia de intercapas de cromo (Cr) en la adhesión de los recubrimientos de NW. También se estudian las propiedades morfológicas, microestructurales y mecánicas en función del grosor del recubrimiento. Otra parte de la tesis está orientada a estudiar el comportamiento del NW bajo diversas condiciones de irradiación. En particular, el mayor interés se centra en analizar el papel que juegan los GBs en la distribución y densidad de Vs generadas por la irradiación y en el comportamiento del H. Estos estudios se han realizado en el rango de temperaturas comprendido entre 300 K (temperatura a la que las Vs son inmóviles) y 573 K (temperatura a la que las vacantes son móviles), comparando los resultados experimentales de medidas de RNRA con aquellos de simulaciones computacionales de Monte Carlo cinético de objetos (OKMC). Para los estudios realizados a 300 K una serie de muestras de NW y de W comercial de grano grueso (CGW) fueron irradiadas en modo continuo bajo diversas condiciones: (i) haz simple de H (170 keV), (ii) haces simultáneos de H (170 keV)+C (665 keV) y (iii) haces secuenciales de C (665 keV) e H (170 keV). Para los estudios orientados a estudiar el efecto de la temperatura una serie muestras de NW y de CGW fue irradiada secuencialmente con C (665 keV) e H (170 keV) y posteriormente fueron sometidas a recocidos a 473 K y 573 K. Los resultados de estos estudios muestran que bajo estas condiciones el aumento de GBs hace que aumente la densidad de Vs en el interior de los granos, que las GBs se comportan como canales preferenciales para la difusión de H y que el H retenido se encuentra en Vs en el interior de los granos formando diversos grupos HnVm cuya ocupación depende de la densidad de GBs y de la temperatura. No obstante, de estos estudios solo se puede concluir indirectamente sobre el comportamiento del H en la GB. Por ello, para tener información directa sobre el mismo se han realizado experimentos de permeación gaseosa de H, que permiten cuantificar la difusividad. Estos experimentos se han llevado a cabo, en un equipo diseñado y montado durante del desarrollo de esta tesis, en muestras de NW sin irradiar e irradiadas con W4+ a 13 MeV a temperatura ambiente y a fluencias de 5×1013 y 1014 cm-2. Estas medidas corroboran que los GBs se comportan como canales de difusión para el H incluso después de la irradiación, aunque la irradiación parece tener un efecto en los GBs. Por último, para el desarrollo de materiales, tan importante como el diseño, es disponer de instalaciones experimentales que permitan caracterizar las propiedades de los materiales diseñados. En el caso de los PFM no hay instalaciones experimentales capaces de recrear las condiciones de irradiación (efectos sinérgicos de altas cargas térmicas y daño atomístico) que van a tener lugar en reactores ICF en configuración de blanco directo. Actualmente, los dispositivos Plasma Foco (PF), son de las pocas instalaciones experimentales que permiten obtener condiciones de irradiación "similares" a las que acontecerán en estos reactores. Sin embargo, para realizar estudios de materiales bajo irradiación, es necesario tener un control exhaustivo de las condiciones de irradiación y una gran reproducibilidad en las mismas, cosa que no es trivial en un PF. En la última sección de la tesis se presenta un estudio de los efectos termomecánicos de la irradiación pulsada en NW y CGW. En él, diversas muestras han sido expuestas a descargas de plasma generadas en un PF de 400 J (PF-400J), estudiándose el daño producido en las muestras en función de la distancia a la que son situadas respecto del ánodo del PF. Además, se ha desarrollado un nuevo modelo para estimar el factor de flujo calorífico FFHHHH asociado a las descargas de plasma, y un código basado en elementos finitos (FEM) que permite obtener la evolución temporal de la temperatura de las muestras sometidas a las descargas de plasma generadas por el PF-400J. Finalmente se ha investigado la influencia de otros parámetros inherentes a la descarga, como son la calidad del pinch y la desviación de la descarga con respecto al eje del ánodo en la modificación superficial de las muestras, lo que es relevante para muestras sometidas a un bajo número de descargas de plasma.