Nya insikter om plasma–materialinteraktion för förbättrad modellering av fusionsreaktorers drift
Doktorand Philipp Mika Wolf och handledare Eduardo Pitthan från Uppsala Universitet har arbetat tre år med att få fram data på hur joner kan påverka material som används i framtida fusionsreaktorer.
Experimentella data visar att modellparametrar som är nödvändiga för korrekta förutsägelser av interaktioner mellan lätta plasmapartiklar och fusionsreaktormaterial kan behöva korrigeras.
Forskargruppen på IAP/TU Wien. Från vänster Gyula Nagy, Martina Fellinger, Raphael Gurschl och Benjamin Burazor Domazet .
En ny studie från Uppsala universitet, i samarbete med TU Wien och till stor del genomförd vid den nationella infrastrukturen Tandemlaboratoriet, visar att modeller som används för att beskriva hur lätta plasmapartiklar (H, D, He) interagerar med plasmaexponerade material (W, Fe, EUROFER97) kan ha brister.
Studien rapporterar avvikelser från modellernas förutsägelser av energiöverföring och kärnreaktioner vid interaktion mellan lätta joner och fusionsmaterial, samt de konsekvenser det leder till för materialens eroderingshastigheter (sputtering-yield).
Avvikelser på upp till 210 procent
I projektet mättes energiöverföringen från långsamma joner till de material dessa färdas genom, samt kraftverkan mellan joner och atomer på mycket korta avstånd. Vid låga energier identifierades avvikelser på upp till 210 procent jämfört med dagens modeller för specifik energiförlust, vilket understryker behovet av förbättrade indata.
Studien, som publicerades i Nuclear Materials and Energy, genomfördes inom det europeiska Enabling Research (ENR)-projektet från EUROfusion.
Projektet stöddes även av detaljerad atomskalig modellering utförd av forskare vid Aalto-universitetet.
Bland de forskare som deltog finns Eduardo Pitthan, Philipp Mika Wolf, Jila Shams-Latifi och Daniel Primetzhofer från Uppsala universitet, tillsammans med Martina Fellinger, Benjamin Burazor Domazet och Friedrich Aumayr från TU Wien.
Fusionsreaktorer har plasmaexponerade väggar
Framtida fusionsreaktorer ställer höga krav på de innerväggar som ska hålla plasma vid temperaturer på flera hundra miljoner grader. Dessa plasmaexponerade material kommer oavbrutet bombarderas av snabba partiklar och utsättas för intensiv värme, vilket gradvis kan nöta ner materialet.
För att kunna konstruera reaktorer som är hållbara och ekonomiskt gångbara behöver forskare tillförlitliga modeller av plasma–materialinteraktioner.