Investigadores de la Universidad de Helsinki determinaron mediante simulaciones informáticas de escala excepcional que el tungsteno, uno de los principales materiales propuestos para las paredes expuestas al plasma de futuros reactores de fusión, podría sufrir más daño primario por radiación a energías relevantes para un reactor de lo que predicen los modelos establecidos. El hallazgo, divulgado por Phys.org el 15 de agosto y aceptado por Physical Review Letters, podría cambiar las estimaciones sobre la durabilidad de los componentes sometidos a neutrones de fusión.
Las reacciones de fusión liberan neutrones de alta energía capaces de golpear un átomo de tungsteno y sacarlo de su posición en la red cristalina. Ese átomo en retroceso puede chocar con otros, generar una cascada de colisiones y dejar defectos en el metal. Cuantificar esos primeros instantes del daño es importante porque el tungsteno debe soportar el entorno extremo que rodea al plasma sobrecalentado y con carga eléctrica sin perder su desempeño estructural.
El equipo encabezado por el primer autor Jesper Byggmästar utilizó dinámica molecular impulsada por aprendizaje automático y adaptada para funcionar eficientemente en procesadores gráficos. Los cálculos siguieron energías de retroceso de hasta 2 megaelectronvoltios y sistemas con un máximo de mil millones de átomos. Según el artículo, los anteriores estudios atomísticos completos solían detenerse en unos cientos de kiloelectronvoltios, lo que dejaba una brecha frente a las energías mucho mayores alcanzadas habitualmente en experimentos de irradiación.
En ese intervalo ampliado, los científicos identificaron cuatro regímenes de producción de daño primario. Las descripciones vigentes suelen suponer que la cantidad de defectos aumenta primero de forma sublineal con la energía de retroceso y después linealmente. Los nuevos cálculos revelan un comportamiento adicional a alta energía que se aparta de los modelos previos, con una transición cerca de 300 kiloelectronvoltios, la energía máxima que los neutrones emitidos por la fusión pueden transferir a los átomos de tungsteno.
Las simulaciones indican así que los componentes de tungsteno que se acercan a energías de retroceso propias de la fusión podrían deteriorarse más de lo supuesto en proyecciones anteriores. El resultado no implica que el tungsteno sea inadecuado ni mide la vida útil de un reactor operativo. Aporta un modelo revisado de los defectos iniciales creados por un solo retroceso atómico, que podrá incorporarse a cálculos de mayor escala temporal para pronosticar el daño acumulado y la duración de los componentes.
El grupo de Helsinki planea extender el método a dosis de radiación más altas, escalas espaciales mayores y simulaciones más precisas. También examinará cómo influyen el tamaño de los granos, sus límites y los elementos de aleación. Harán falta comparaciones experimentales y trabajos multiescala antes de trasladar el resultado a diseños concretos de reactores, pero el cálculo de mil millones de átomos ofrece una nueva base para probar paredes más resistentes.
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