Forscher der Universität Helsinki haben mit außergewöhnlich großen Computersimulationen ermittelt, dass Wolfram, ein führender Werkstoff für plasmaexponierte Wände künftiger Fusionsreaktoren, bei reaktorrelevanten Energien möglicherweise mehr primäre Strahlenschäden erleidet als etablierte Modelle vorhersagen. Phys.org berichtete am 15. August über das von Physical Review Letters angenommene Ergebnis. Es könnte beeinflussen, wie Ingenieure die Haltbarkeit von Bauteilen unter dem Beschuss durch Fusionsneutronen bewerten.
Fusionsreaktionen setzen energiereiche Neutronen frei, die ein Wolframatom treffen und aus seiner Position im Kristallgitter schlagen können. Das zurückstoßende Atom kann mit weiteren Atomen kollidieren, eine Kaskade auslösen und Defekte im Metall hinterlassen. Eine genaue Beschreibung dieser ersten Schadensmomente ist wichtig, weil Wolfram die extreme Umgebung um das überhitzte, elektrisch geladene Plasma aushalten und zugleich seine strukturelle Leistungsfähigkeit behalten soll.
Das Team um Erstautor Jesper Byggmästar setzte durch maschinelles Lernen gestützte Molekulardynamik ein, die effizient auf Grafikprozessoren läuft. Die Berechnungen erfassten Rückstoßenergien bis zu 2 Megaelektronenvolt und Systeme mit bis zu einer Milliarde Atomen. Laut der Studie endeten frühere vollständige atomistische Untersuchungen meist bei einigen Hundert Kiloelektronenvolt. Damit blieb eine Lücke zu den deutlich höheren Energien, die Bestrahlungsexperimente routinemäßig erreichen.
In diesem erweiterten Bereich identifizierten die Wissenschaftler vier Regime der primären Schadensproduktion. Bisherige Beschreibungen erwarten meist, dass die Zahl der Defekte mit der Rückstoßenergie zunächst unterlinear und anschließend linear zunimmt. Die neuen Rechnungen zeigen dagegen ein zusätzliches Hochenergieverhalten, das von früheren Modellen abweicht. Der Übergang beginnt nahe 300 Kiloelektronenvolt, also bei der höchsten Energie, die ein Fusionsneutron auf ein Wolframatom übertragen kann.
Die Simulationen deuten somit darauf hin, dass Wolframbauteile bei fusionsrelevanten Rückstoßenergien stärker verschleißen können als frühere Prognosen annahmen. Das Ergebnis erklärt Wolfram weder für ungeeignet noch bestimmt es die Lebensdauer eines arbeitenden Reaktors. Es liefert ein überarbeitetes Modell für die anfänglichen Defekte nach einem einzelnen atomaren Rückstoß. Forscher können dieses Modell in längerfristige Berechnungen zu angesammelten Schäden und zur Einsatzdauer von Bauteilen einbauen.
Die Helsinki-Gruppe will den Ansatz auf höhere Strahlendosen, größere räumliche Skalen und genauere Simulationen ausweiten. Zudem möchte sie untersuchen, wie Korngröße, Korngrenzen und Legierungselemente das Resultat verändern. Experimentelle Vergleiche und Multiskalenarbeit bleiben nötig, bevor konkrete Reaktorkonstruktionen daraus folgen. Die Rechnung mit einer Milliarde Atomen schafft jedoch eine neue Grundlage, um widerstandsfähigere Wände für die Fusionstechnik zu prüfen.
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