I ricercatori dell’Università di Helsinki hanno stabilito, grazie a simulazioni informatiche di eccezionale vastità, che il tungsteno, già considerato uno dei materiali più adatti alle pareti esposte al plasma nei futuri reattori a fusione, può subire più danni primari da radiazione alle energie rilevanti per un reattore rispetto alle previsioni dei modelli attuali. Il risultato, illustrato da Phys.org il 15 agosto e accettato da Physical Review Letters, potrà incidere sulla valutazione della durata dei componenti colpiti dai neutroni della fusione.
Le reazioni di fusione liberano neutroni ad alta energia che possono urtare un atomo di tungsteno e spostarlo dalla sua posizione nel reticolo cristallino. L’atomo di rinculo può quindi colpirne altri, creando una cascata di collisioni e difetti nel metallo. È importante misurare questi primi istanti di danno perché il tungsteno dovrà resistere all’ambiente estremo intorno al plasma surriscaldato e carico elettricamente, affinché mantenga qualità e integrità strutturali.
Il gruppo guidato dal primo autore Jesper Byggmästar ha impiegato una dinamica molecolare basata sull’apprendimento automatico, adattata perché funzioni con più efficienza sui processori grafici. I calcoli hanno seguito energie di rinculo fino a 2 megaelettronvolt e sistemi di ben un miliardo di atomi. Secondo lo studio, le precedenti analisi atomistiche complete si fermavano di solito a poche centinaia di chiloelettronvolt; perciò restava una distanza dalle energie assai più elevate raggiunte nelle attività sperimentali di irraggiamento.
In questo intervallo più ampio, gli scienziati hanno identificato quattro regimi nella produzione del danno primario. Le descrizioni esistenti prevedono in genere che il numero di difetti cresca dapprima in modo sublineare con l’energia di rinculo e poi linearmente. I nuovi calcoli mostrano però un ulteriore comportamento ad alta energia, diverso dai modelli precedenti, con una transizione vicina a 300 chiloelettronvolt: è l’energia massima che i neutroni emessi dalla fusione possono trasferire agli atomi di tungsteno.
Le simulazioni indicano così che i componenti in tungsteno, quando raggiungono energie di rinculo tipiche della fusione, potrebbero deteriorarsi più di quanto già stimato. Ciò non significa né che il tungsteno sia inadatto né che lo studio misuri la durata di un reattore attivo. La ricerca offre invece un modello rivisto dei difetti iniziali prodotti da un singolo rinculo atomico, che sarà utile in calcoli su tempi più lunghi per prevedere il danno accumulato e la reale vita operativa dei componenti.
Il gruppo di Helsinki estenderà l’approccio a dosi di radiazione più alte, a scale spaziali maggiori e a simulazioni ancora più accurate. Esaminerà inoltre come la dimensione dei grani, i loro confini e gli elementi di lega possano cambiare il risultato. Sarà necessario confrontare gli esperimenti e svolgere analisi multiscala prima di applicare la scoperta a progetti specifici; però il calcolo con un miliardo di atomi è già una nuova possibilità per verificare pareti più durevoli.
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