Highly porous tungsten for plasma-facing applications in nuclear fusion power plants: a computational analysis of hollow nanoparticles

Abstract

Plasma-facing materials (PFMs) for nuclear fusion, either in inertial confinement fusion (ICF) or in magnetic confinement fusion (MCF) approaches, must withstand extremely hostile irradiation conditions. Mitigation strategies are plausible in some cases, but usually the best, or even the only, solution for feasible plant designs is to rely on PFMs able to tolerate these irradiation conditions. Unfortunately, many studies report a lack of appropriate materials that have a good thermomechanical response and are not prone to deterioration by means of irradiation damage. The most deleterious effects are vacancy clustering and the retention of light species, as is the case for tungsten. In an attempt to find new radiation-resistant materials, we studied tungsten hollow nanoparticles under different irradiation scenarios that mimic ICF and MCF conditions. By means of classical molecular dynamics, we determined that these particles can resist astonishingly high temperatures (up to ∼3000 K) and huge internal pressures (>5 GPa at 3000 K) before rupture. In addition, in the case of gentle pressure increase (ICF scenarios), a self-healing mechanism leads to the formation of an opening through which gas atoms are able to escape. The opening disappears as the pressure drops, restoring the original particle. Regarding radiation damage, object kinetic Monte Carlo simulations show an additional self-healing mechanism. At the temperatures of interest, defects (including clusters) easily reach the nanoparticle surface and disappear, which makes the hollow nanoparticles promising for ICF designs. The situation is less promising for MCF because the huge ion densities expected at the surface of PFMs lead to inevitable particle rupture.

Especies ligeras en materiales de interés para aplicaciones energéticas

“…Las ventajas del uso de materiales nanoestructuradas se hacen patentes en los trabajos de Quin et al y González et al [45,68]: el primero de ellos emplea diseños basados en nanocanales en W para retrasar la formación y crecimiento de burbujas de He en el material [45], mientras que el segundo se sirve de inclusiones de nanotubos de carbono en Ni para conseguir un efecto similar [68]. Debido a estas ventajas, recientemente se han comenzado a estudiar las nanopartículas (NPs) y su comportamiento ante la irradiación [44,69], llegando a desarrollarse recientemente materiales muy atractivos debido a su baja densidad, elevada porosidad y nanoestructuración, como pueden ser las nanoespumas [70,71] y, más concretamente, las nanopartículas huecas (hNPs) [72]. El elevado interés que generan tiene su base, principalmente, en los diversos métodos de síntesis existentes, que dan lugar a distintas composiciones, configuraciones, tamaños y formas [73][74][75][76][77][78][79], destacando de entre estas estructuras las nanoesferas huecas, compuestas por una corteza delgada que rodea la cavidad interior, vacía, debido a las ventajas que presentan, entre las que pueden destacarse la mejora de su estabilidad mecánica, fruto de la combinación de fuerza y flexibilidad [80][81][82][83], o el incremento de la cinética de eliminación de defectos [84,85], lo que las dota de gran interés para diversos campos, desde aplicaciones energéticas a médicas [86][87][88][89][90][91][92][93].…”

“…-Análisis directo de la influencia del transporte de H a través de GBs en W a través de técnicas experimentales de permeación de gases. -Propuesta de un nuevo material basado en nanopartículas huecas de W para la primera pared de futuras plantas de fusión nuclear y evaluación del mismo ante escenarios de operación realistas mediante el código MMonCa [72].…”

“…Por último, en el caso del He, la irradiación con estos iones genera tres tipos de aglomerados: aglomerados puros de He (Hen), aglomerados mixtos con vacantes (HenVm), y aglomerados mixtos con átomos de W en posición intersticial (HenIm). En la Figura 4.3 se muestra el diagrama de energía del He en W obtenido por DFT [72]. Figura 4.3.…”

“…En la Ref. [72] se analizan los efectos de la irradiación con He de nanopartículas huecas (hNPs) de W. En los primeros momentos, puede observarse la formación de defectos en las hNPs, correspondientes a átomos de He, Vs e, incluso, Is, que interactúan dando lugar a distintos aglomerados. Sin embargo, al aumentar la temperatura comienza la emisión de los defectos que integran estos aglomerados, hasta alcanzarse una situación de, o bien vaciado parcial del aglomerado hasta permitirse su movilidad (e.g., en el caso de aglomerados Hen), o bien el vaciado total del aglomerado y la consecuente desaparición del mismo por desorción al alcanzar la superficie.…”

“…............ Figura 4.4. Representación de la evolución de la población de defectos durante la irradiación de una hNP de W según las condiciones de fusión nuclear magnética (MCF) durante un evento de modo localizado en el borde del plasma (ELM), según el escenario analizado en [72] (descargas de 3500 MW/m 2 que resultan en la implantación de aproximadamente 70×10 3 iones He de baja energía en 200 μs. Las esferas blancas representan vacantes, esferas rojas, átomos de He, y esferas amarillas y azules a aglomerados HeI y HeV, respectivamente.…”