The impact of boron intermixing in PFC on atomic, structural and mechanical features

Projekttitel: The impact of boron intermixing in PFC on atomic, structural and mechanical features: sputter yields, near-surface morphology, and fuel retention
Huvudsökande: Eduardo Pitthan Filho, avdelningen för tillämpad kärnfysik
Beviljade medel: 4,2 miljoner SEK för perioden 2024-2025

Kärnfusion har potential att bli en säker och koldioxidfri energikälla för mänskligheten. Plasman, där fusionsprocessen äger rum, kan nå temperaturer på upp till 150 miljoner grader Celsius, vilket gör konstruktionen av en fusionsreaktor till en teknisk utmaning. Även om plasman i sig är innesluten av ett magnetfält utsätts reaktorväggarna, även kallade plasma facing components (PFC) på engelska, för extrema förhållanden som kräver både ett noggrant urval av de material som de tillverkas av och exakt kunskap om de förändringar som uppstår i materialen när de kommer i kontakt med plasman.

Plasmans växelverkan med PFC resulterar i materialmigrationsprocesser som omfattar erosion och återdeponering av väggmaterial tillsammans med samdeponering av plasmabränsleatomer (väteisotoper). De resulterande modifieringarna av PFC är ett aktivt område för experimentell och teoretisk forskning. Det nuvarande projektet, som inkluderar forskare från Uppsala universitet, Vienna University of Technology i Österrike och Aalto-universitetet i Finland, kommer att undersöka morfologin hos de blandade skikten som ackumuleras på olika delar av reaktorväggarna som ett resultat av de nämnda återdeponerings- och samdeponeringsprocesserna. Sådana skikt kommer att ha en annan kemisk sammansättning och struktur än huvuddelen av reaktorväggarna, och de kan förväntas förändras ytterligare under påverkan av reaktormiljön.

Två lovande kandidater för PFC-materialet är volfram och en speciell typ av stål som kallas EUROFER97. För att ytterligare förbättra reaktorns prestanda är det möjligt att applicera en beläggning som innehåller bor på väggmaterialet. Eduardo Pitthan Filho och hans kollegor kommer därför att fokusera särskilt på materialskiktet som innehåller bor. Det aktuella projektet kombinerar experiment med beräkningsmodellering. Forskarna kommer bland annat att använda infrastrukturen vid Tandemlaboratoriet vid Uppsala universitet för att både tillverka sådana prov och för att studera hur de förändras under jonbombardemang eller värme. Forskare vid Aalto-universitetet och Vienna University of Technology kommer att utföra kompletterande simuleringar med hjälp av metoder som molekyldynamik och binary collision approximation. Både experimenten och beräkningarna kommer att ägna särskild uppmärksamhet åt sputterutbytet för att försöka kvantifiera erosionen av PFC genom de joner som finns i plasman.