Especies ligeras en materiales de interés para aplicaciones energéticas

Díaz Rodríguez, Pablo (2020). Especies ligeras en materiales de interés para aplicaciones energéticas. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65647.

Description

Title: Especies ligeras en materiales de interés para aplicaciones energéticas
Author/s:
  • Díaz Rodríguez, Pablo
Contributor/s:
  • Rivera de Mena, Antonio
  • Peña Rodríguez, Ovidio Y.
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Energética
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Uno de los principales problemas a solventar en el desarrollo de instalaciones de fusión nuclear es la falta de materiales capaces de soportar la exposición al plasma. De entre las distintas alternativas propuestas, el wolframio destaca como principal candidato gracias al atractivo de sus propiedades físicas, como alto punto de fusión, elevada conductividad térmica, buena resistencia química y baja retención de tritio. A pesar de todo, las condiciones de operación esperadas suponen un reto, tanto a nivel termomecánico como atomístico, ya que las condiciones de irradiación previstas pueden provocar una serie de efectos perjudiciales, destacando agrietamiento, hinchamiento, exfoliación, y, bajo ciertas condiciones, el crecimiento de nanoestructuras superficiales de baja densidad, conocidas como “fuzz”. Las simulaciones computacionales han demostrado ser una buena herramienta para analizar el comportamiento de distintos materiales ante la irradiación iónica. Típicamente, se emplea el modelado multiescala secuencial, basado en el uso de diferentes metodologías computacionales de forma sucesiva, empleando los resultados obtenidos en cada paso como información de entrada para el siguiente, permitiendo acceder a regímenes imposibles de otra manera. Por ejemplo, un modelado multiescala secuencial que emplee cálculos de la teoría de la densidad del funcional (DFT), dinámica molecular (DM), aproximación de colisiones binarias (BCA) y Monte Carlo cinético de objetos (OKMC) es capaz de cubrir un espectro muy amplio en términos temporales (de picosegundos a horas, o incluso días) y espaciales (desde nanómetros hasta micrómetros). El trabajo desarrollado en esta tesis se basa principalmente en el empleo de simulaciones computacionales de Monte Carlo cinético de objetos para analizar el efecto de las especies ligeras H y He en W, en su papel como material expuesto al plasma, prestando especial atención a la microestructura de la muestra y, más concretamente, a las fronteras de grano. En primer lugar, se estudió la influencia de la densidad de fronteras de grano y la temperatura en la retención de H en W, reproduciéndose mediante OKMC experimentos de irradiación secuencial de C e H tanto en wolframio monocristalino (MW) como en wolframio nanoestructurado (NW), sometiendo las muestras a un calentamiento posterior a 473 K y 573 K. Los resultados mostraron que la presencia de fronteras de grano tiene una gran influencia en el número y distribución de vacantes generadas, siendo la concentración de las mismas superior en las muestras NW en el rango de temperaturas analizado. Además, el efecto de la temperatura se hace patente alrededor de los 573 K, momento en el que se activa la movilidad de las vacantes, reduciéndose la concentración de vacantes en muestras con fronteras de grano. En cuanto a la retención de hidrógeno, este se acumula en las vacantes presentes en el interior de los granos, formando aglomerados dependientes tanto de la temperatura como de la densidad de fronteras de grano. Finalmente, la comparación entre los resultados experimentales y los obtenidos mediante simulaciones OKMC permitieron deducir que las fronteras de grano estudiadas son capaces de actuar como canales preferenciales para el transporte de hidrógenos bajo las condiciones experimentales usadas, por lo que, en principio, se espera una mejor respuesta del material NW que el MW. Con el objetivo de obtener una mejor interpretación de la fenomenología asociada a las fronteras de grano en NW, se realizaron una serie de medidas experimentales de permeación de hidrógeno en muestras de NW en un rango de temperaturas de 520 K a 705 K, y un rango de presiones de 105 Pa a 106 Pa. Los valores de permeabilidad obtenidos fueron superiores a los encontrados en bibliografía para muestras de W de tamaño de grano ostensiblemente mayor. Además, se llevaron a cabo diversas simulaciones OKMC empleando un modelo de intercara que permitía el atrapamiento y migración de los átomos de H a lo largo de las fronteras de grano, así como la modificación de la densidad de ocupación máxima de las mismas. Lo que permitió emular los experimentos realizados. Los resultados de las simulaciones reprodujeron los resultados experimentales, confirmando el papel de canales preferenciales para la migración de hidrógeno jugado por las fronteras de grano en esas muestras en el rango de temperatura indicado. Por último, y teniendo en cuenta los prometedores resultados obtenidos con los materiales nanostructurados, se analizó teóricamente el comportamiento de un material nanoestructurado de alta porosidad basado en wolframio, nanoesferas huecas de wolframio (hNPs), en escenarios de irradiación realistas de instalaciones de fusión nuclear, tanto de confinamiento magnético (MCF) como de confinamiento inercial (ICF), empleando H y He. Se analizó la evolución de los defectos causados por irradiación mediante OKMC mientras que las propiedades termomecánicas de las hNPs fueron extraídas mediante simulaciones de DM. Las hNPs diseñadas son capaces de resistir temperaturas y presiones internas muy elevadas, presentando un comportamiento de autosanado ante la irradiación iónica fruto de sus pequeñas dimensiones y la presencia del hueco en la estructura, que permite la eliminación de H y He hacia el interior, lo que contribuye a disminuir el daño por irradiación y a mejorar sus propiedades mecánicas. Los análisis realizados arrojaron resultados prometedores en lo que a ICF se refiere, ya que las hNPs demostraron ser capaces de sobrevivir sin daños estructurales en condiciones atenuadas de ICF gracias al llenado lento de la cavidad y a la recuperación de su integridad estructural tras la liberación de la presión interna. Por el contrario, en condiciones MCF, aunque la hNP es capaz de eliminar el daño causado por la irradiación pese al elevado número de iones, el llenado de la hNP es excesivamente rápido, y provoca el colapso de la misma. Este estudio permitiría, de confirmarse experimentalmente los resultados, el establecimiento de nuevas rutas para el desarrollo de materiales nanoestructurados expuestos al plasma. ----------ABSTRACT---------- The lack of materials able to withstand the harsh conditions expected in future nuclear fusion facilities is one of the main bottlenecks to solve. Among the different alternatives proposed, tungsten is considered one of the best candidates thanks to its attractive properties, such as high melting point and thermal conductivity, good chemical resistance and low tritium retention. However, the conditions expected still pose a great challenge, both in the thermomechanical approach as well as in the atomistic approach, since the irradiation conditions might trigger several detrimental effects, highlighting cracking, blistering exfoliation, and, under certain conditions, the growth of a series of low-density surface nanostructures globally known as “fuzz”. Computational simulations have proven to be a useful tool to analyse the behaviour of different materials when exposed to ionic irradiation. One of the most commonly employed techniques is the sequential multiscale modelling, which relies on using different computational methodologies successively, and inputting the results attained with one method to the following one. This way, it is possible to access to time and space regimes that would be out of reach otherwise. An example of this kind of modelling might be based on density functional theory (DFT) calculations, molecular dynamics (MD), binary collisions approximation (BCA) and object kinetic Monte Carlo (OKMC) simulations to cover a wide time and space range (from picoseconds to hours, and from nanometres to micrometres). In this thesis, the vast majority of the work performed is based on OKMC simulations to analyse the effect of light species (H and He) on W, as a plasma facing material, focusing on the influence of the sample microstructure, and more specifically, the grain boundaries (GBs). Firstly, the influence of the GBs and the temperature in H retention was studied, employing OKMC simulations to reproduce the irradiation experiments on different tungsten samples. Sequential irradiation of C and H over both monocrystaline (MW) and nanostructured (NW) tungsten was performed, followed by the annealing of the samples at 473 K and 573 K. The results shown a great influence of the GBs on the quantity and distribution of the generated vacancies, being the concentration of this defect higher in the NW samples in the range of temperature analysed. Moreover, the role of the temperature becomes clear over 573 K, when the vacancies mobility is activated, and their concentration is reduced in the NW samples. Regarding the H retention, it accumulates in the vacancies that can be found inside the grains, giving place to the formation of clusters depending on the temperature and, also, the density of GBs. Finally, the comparison between the experimental results and the computational ones allowed to deduce the behaviour of the GBs analysed, which act as preferential paths for H transport under the experimental conditions. Therefore, a better response against ion irradiation is expected from NW than from MW. In order to attain a better interpretation of the phenomenology associated to GBs in NW, several hydrogen permeation experimental measurements were carried out in NW samples, in the range of temperature of 520 K to 705 K, and under pressures of 105 Pa to 106 Pa. The permeability values obtained were higher than the ones previously reported on literature for W samples with greater grain dimensions. In addition, OKMC simulations were performed employing a new interface model that permits both trapping and migration of H atoms in and along the GBs, as well as controlling the maximum occupation density of H in the GBs. The implementation of this model allowed to emulate the permeation experiments. The simulations reproduced the experimental results, confirming the role played by the GBs as preferential paths for H transport in the temperature range analysed. Finally, and considering the promising results attained with the nanostructured materials, a theoretical study on the behaviour of a nanostructured, high-porosity tungsten-based material, hollow tungsten nanoparticles (hNPs), was conducted, analysing different realistic irradiation scenarios of both magnetic confinement (MCF) and inertial confinement (ICF) fusion nuclear facilities, employing H and He. The evolution of the defects caused by the ionic irradiation was studied by means of OKMC simulations, while the thermomechanical properties of the hNPs were obtained by DM simulations. It was found that the designed hNPs are able to resist huge temperatures and inner pressure values, presenting a self-healing behaviour against ionic irradiation thanks to their reduced dimensions and the inner cavity, which facilitates the elimination of H and He atoms to the interior of the structure, thus contributing to reducing the damage caused by the ionic irradiation and improving the mechanical properties of the hNPs. The analysis performed shown promising results regarding the ICF approach, as the hNPs were able to survive under attenuated ICF conditions without structural damage thanks to the slow filling of the cavity and the recovering of their structural integrity after the liberation of the internal pressure. On the contrary, although the hNPs were able to remove the damage caused by ion irradiation in spite of the enormous quantities of ions, the filling of the hNP is excessively quick, causing the collapse of the structure. This study, if these results are experimentally confirmed, might allow to stablish new routes for the development of plasma facing nanostructured materials.

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Item ID: 65647
DC Identifier: https://oa.upm.es/65647/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65647
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65647
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 08 Dec 2020 07:35
Last Modified: 07 Jun 2021 22:30
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