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Nov 26, 2023

Scientific Reports volumen 5, número de artículo: 16042 (2015) Citar este artículo

El conocimiento de la evolución de las propiedades mecánicas y físicas debidas a los daños por irradiación es esencial para el desarrollo de futuros reactores de fisión y fusión. La irradiación de iones proporciona un excelente indicador para estudiar el daño por irradiación, permitiendo altas dosis de daño sin activación de la muestra. La profundidad de penetración de iones limitada significa que sólo se producen capas dañadas de unas pocas micras de espesor. Se han dedicado esfuerzos sustanciales a sondear las propiedades mecánicas de estas finas capas implantadas. Sin embargo, aunque son clave para el diseño de reactores, sus propiedades de transporte térmico siguen en gran medida inexploradas debido a la falta de técnicas de medición adecuadas. Aquí demostramos mediciones de difusividad térmica sin contacto en tungsteno implantado con iones para armaduras de fusión nuclear. La aleación con elementos de transmutación y la interacción del gas retenido con defectos inducidos por la implantación conducen a reducciones dramáticas en la difusividad térmica. Estos cambios están bien capturados por nuestros enfoques de modelado. Nuestras observaciones tienen implicaciones importantes para el diseño de futuras plantas de energía de fusión.

La fusión nuclear es una fuente de energía sostenible ideal. Un obstáculo importante para su desarrollo comercial es la disponibilidad de materiales suficientemente resistentes. Las aleaciones a base de tungsteno son los principales candidatos para componentes orientados al plasma en futuros reactores de fusión por confinamiento magnético1. En un reactor de demostración (DEMO) estarán expuestos a altas temperaturas (~1500 K), irradiación con neutrones de fusión de 14,1 MeV y un gran flujo de iones energéticos (hasta 15 MWm-2)2,3. La alta conductividad térmica es uno de los principales criterios de selección de materiales4. Una degradación significativa de la conductividad térmica podría dar lugar a temperaturas excesivas con consecuencias potencialmente desastrosas para la integridad de la armadura de fusión5.

La exposición de la armadura de fusión a neutrones de 14,1 MeV provoca daños en cascada y aleaciones por transmutación. Los cálculos indican que después de 5 años de funcionamiento, el tungsteno (W) inicialmente puro en un desviador DEMO contendría hasta un 4% atómico de renio (Re)6. Una aleación W-5%Re tiene menos de la mitad de la difusividad térmica a temperatura ambiente que el tungsteno puro7,8. Cuantificar los efectos del daño en cascada de neutrones de fusión sobre la conductividad térmica es más difícil. Como sustituto, se ha considerado el transporte térmico en tungsteno irradiado con neutrones por fisión9,10. Un nivel de daño de 0,6 desplazamientos por átomo (dpa), que se alcanzaría en 3 meses en DEMO6, provocó una reducción de la conductividad térmica a temperatura ambiente en un 25%10.

Un papel interesante lo desempeña el helio, que se forma mediante transmutación6 y también se implanta desde el plasma en la matriz de tungsteno. A temperaturas elevadas, el helio migra desde las superficies hacia la masa e interactúa fuertemente con los defectos inducidos por la irradiación11, uniéndose a las vacantes12,13 y suprimiendo su recombinación con átomos autointersticiales (SIA)14. La implantación de iones de helio es una herramienta eficaz para estudiar esta interacción15 y se ha invertido un gran esfuerzo en el desarrollo de enfoques micromecánicos capaces de cuantificar las propiedades mecánicas de capas finas de iones implantadas en micrones16,17,18.

Sin embargo, las propiedades de transporte térmico de las capas dañadas por iones aún no se han explorado en gran medida debido a la falta de técnicas experimentales adecuadas. Las referencias citadas anteriormente utilizaron una técnica de destello láser8,9,10 o mediciones de resistividad eléctrica7. Ambos sólo son adecuados para muestras a granel. Recientemente se han propuesto dos nuevos enfoques, la técnica 3-omega19 y las mediciones de reflectancia térmica20,21, para cuantificar el transporte térmico en capas superficiales delgadas irradiadas con iones. El primero requirió la deposición de características superficiales complejas en la muestra y mostró importantes incertidumbres experimentales. Este último requería que las muestras fueran recubiertas y la profundidad de sondeo dependía de la difusividad térmica, a priori desconocida.

Aquí presentamos un enfoque nuevo y completamente diferente para medir las propiedades de transporte térmico de materiales implantados con iones. Utilizando la técnica de rejilla transitoria (TG) inducida por láser sin contacto22, cuantificamos la difusividad térmica en capas de unas pocas micras de espesor de tungsteno implantado con helio. El efecto de la aleación de transmutación se imita considerando las aleaciones de tungsteno-renio. En ambos tipos de muestras encontramos cambios sustanciales en la difusividad térmica. Se analizan utilizando un modelo de teoría cinética, lo que proporciona información sobre la distribución de defectos subyacente. Nuestros resultados se discuten a la luz de las prácticas de diseño actuales para futuros reactores de fusión.

Las mediciones de TG utilizan dos pulsos láser de excitación cortos que se superponen en la muestra con un ángulo de cruce bien definido (Fig. 1 (a)). La interferencia de los pulsos produce una rejilla de intensidad espacialmente sinusoidal con una separación marginal λ23. La absorción de la luz conduce a una rejilla de temperatura con período λ. La rápida expansión térmica también lanza dos ondas acústicas superficiales (SAW) que se propagan en sentido contrario24. Tanto la rejilla térmica como las SAW provocan desplazamientos de la superficie de la muestra. Estos se detectan mediante difracción de un haz de sonda casi continuo, heterodinado con un haz de referencia reflejado (Fig. 1 (b)). La figura 1 (c) presenta la señal medida a partir de una muestra de tungsteno puro que muestra una serie de oscilaciones, debido a la propagación de SAW, superpuestas a un fondo debido a la disminución de la rejilla de temperatura.

Medidas de transporte térmico de rejillas transitorias.

(a) Esquema de la configuración de medición, que muestra los haces de excitación (en el tiempo t = 0) que forman el patrón de luz de rejilla transitoria periódica (que se muestra esquemáticamente en verde) en la muestra. (b) En el momento t > 0, se sondean la rejilla de temperatura y las ondas acústicas de superficie que se propagan en contra en la superficie de la muestra (ambas se muestran esquemáticamente en gris claro). Para la detección heterodina, el haz de sonda disperso se combina con un haz de referencia reflejado. (c) Traza temporal registrada experimentalmente de la intensidad de la sonda dispersa para la muestra de tungsteno puro a 296 K. También se muestra un ajuste a los datos experimentales. En el recuadro se muestran trazas de tiempo registradas para tungsteno puro y tungsteno implantado con 3100 appm de helio, ambos a 296 K. La descomposición térmica de la rejilla en la muestra implantada es visiblemente más lenta.

En la superficie de las muestras a granel, el transporte térmico se produce tanto en el plano, desde los picos hasta los valles de la rejilla térmica, y hacia la profundidad de la muestra. El perfil de la superficie debido a la rejilla térmica sigue una caída no exponencial23:

Aquí, t es el tiempo y α es la difusividad térmica isotrópica, α = κ/C, donde κ es la conductividad térmica y C la capacidad calorífica volumétrica. La difusividad térmica se determina ajustando la ecuación. 1 a los datos experimentales, teniendo también en cuenta la variación sinusoidal debida a las SAW (ver las secciones complementarias 1 y 2). La Figura 1 (c) muestra el ajuste a datos de tungsteno puro.

Las mediciones de TG tienen varias ventajas importantes sobre los enfoques mencionados anteriormente. No se requiere recubrimiento de la muestra ni contacto con las muestras. Es suficiente una superficie de muestra bien pulida que permita la reflexión especular de la sonda y los haces de referencia. La profundidad sondeada la establece directamente la geometría experimental. La precisión de las mediciones térmicas es intrínsecamente alta ya que la técnica no se basa en medir una diferencia de temperatura o un flujo de calor. Al mismo tiempo, las mediciones también proporcionan datos de ondas acústicas superficiales que pueden usarse para mediciones muy sensibles de propiedades elásticas24.

Las mediciones de transporte térmico se llevaron a cabo en muestras de tungsteno con una pureza del 99,9% y en muestras de aleación de tungsteno y renio (W-1%Re, W-2%Re) para imitar los efectos de la aleación de transmutación. Se implantaron helio en dos muestras de tungsteno puro a 300 °C, utilizando múltiples energías iónicas para lograr concentraciones de helio previstas aproximadamente uniformes de 280 ± 40 partes atómicas por millón (appm) y 3100 ± 480 appm respectivamente en una capa superficial de 2,6 μm de espesor25. El primero imita la concentración máxima de helio esperada de la transmutación6, mientras que el segundo sirve para estudiar el efecto de mayores concentraciones de helio debido a la migración de helio desde la superficie del material26. El daño asociado con las implantaciones de helio, predicho utilizando el código de rango de detención de iones en la materia (SRIM)27, fue de 0,017 ± 0,004 dpa y 0,19 ± 0,04 dpa respectivamente. Los perfiles de implantación calculados se muestran en la figura complementaria S1.

Una cuestión importante se refiere a la elección del período de rejilla transitoria, λ. En muestras a granel, las mediciones de TG sondean las propiedades térmicas hasta una profundidad de aproximadamente 23. El espesor de la capa implantada en las muestras implantadas con helio es de aproximadamente 2,6 μm. Para garantizar que el sustrato no implantado no afectara las mediciones de transporte térmico, se eligió un valor de λ = 2,74 μm. El tungsteno puro se midió a temperaturas de 140 K, 200 K, 296 K, 373 K y 473 K, mientras que todas las demás muestras se midieron a las últimas tres temperaturas. Las Figuras 2 y 3 muestran las difusividades térmicas medidas para las muestras de aleación y las muestras implantadas con helio, respectivamente.

Difusividad térmica de aleaciones de tungsteno-renio.

Difusividad térmica medida (símbolos abiertos) y modelada (líneas continuas). También se muestran datos de referencia bibliográfica para la difusividad térmica del tungsteno puro28,32,33 (línea discontinua violeta). La difusividad térmica se puede extrapolar a partir del ajuste a nuestros datos y compararla con las mediciones de flash láser informadas por Fujitsuka et al.8 (símbolos sólidos). La variación en las líneas del modelo debido a la incertidumbre en la estimación de la tasa de dispersión es similar al tamaño del símbolo.

Difusividad térmica del tungsteno implantado con helio.

(a) Tasas de dispersión de electrones en sitios de átomos de alta energía coloreados de azul (0,5 THz) – verde – amarillo – rojo – rosa (3,5 THz) para defectos de pares de Frenkel de 900 appm en 131.000 átomos de tungsteno a 300 K. Las vacantes se ven como “jaulas” azules ” de 8 átomos que rodean el sitio vacante, mientras que los intersticiales se ven como ½ <111> multitudes. No se muestran los átomos en masa. (b) Difusividad térmica medida (símbolos abiertos) y modelada (líneas) para tungsteno implantado con helio. Las líneas de modelos son para pares Frenkel de 0 (negro), 300 (azul), 900 (verde) y 3000 (rojo) appm en tungsteno a granel. Las líneas de puntos marcan la extrapolación fuera de la región de temperatura ajustada.

La difusividad térmica medida de las aleaciones de tungsteno se puede analizar utilizando un modelo de teoría cinética (ver detalles en la sección complementaria 3). Siempre que permanezcamos en el límite de la aleación diluida, los principales portadores de calor a la temperatura de Debye o por encima de ella (312 K en tungsteno28) son los electrones29. Las variaciones en la difusividad térmica pueden atribuirse a cambios en el tiempo de dispersión de electrones τe. Según la regla de Matthiessen, la tasa total de dispersión de electrones es la suma de las tasas de dispersión de impurezas, fonones y otros electrones, sujeto al límite de Ioffe-Regel de que el camino libre medio del electrón no puede ser mucho menor que la separación entre átomos30. 31. En la Fig. 2 (línea negra) se muestra un ajuste de este modelo a nuestros datos experimentales para tungsteno puro. Nuestras mediciones concuerdan muy bien con los datos de referencia de la literatura para tungsteno puro (línea discontinua de la Fig. 2)28,32,33 y se encuentran dentro de menos del 10 % de los datos medidos por Fujitsuka et al.8 (también representados en la Fig. 2). ). Esto proporciona evidencia concluyente de la confiabilidad y precisión de la técnica TG para la caracterización sin contacto del transporte térmico.

Para las aleaciones de tungsteno-renio, ajustamos un parámetro adicional, la tasa de dispersión debida a un átomo de renio en una matriz de tungsteno, encontrando σ0,Re = 1,38 ± 0,1 THz. Luego podemos extrapolar a concentraciones más altas de renio. En la Fig. 2 se muestran líneas para aleaciones de 5% a 25% de renio, con las correspondientes mediciones experimentales realizadas por Fujitsuka et al.8. Aunque estas concentraciones de renio están más allá del límite de validez esperado del modelo de aleación diluida, la coincidencia es sorprendentemente buena, lo que demuestra que la técnica TG ofrece parámetros térmicos confiables y transferibles.

A bajas temperaturas, utilizando la ley de Wiedemann-Franz29, podemos estimar que el cambio de resistividad debido a un solo átomo de renio en la matriz de tungsteno es δρRe = 127 ± 10 μΩcm/fracción atómica. Este valor se puede comparar con el valor experimental medido directamente δρRe = 145 μΩcm/fracción atómica7. Claramente, la concordancia es buena, aunque nuestra estimación es un poco baja ya que descuidamos la conductividad de fonones en nuestro tratamiento.

En las muestras de tungsteno implantadas con helio, el daño estará presente en forma de vacantes y autointersticiales34. Como los electrones conductores pueden dispersarse desde cualquier átomo asociado con una vacancia o un defecto intersticial, no es apropiado tratar estos defectos como dispersores puntuales muy fuertes (consulte la sección complementaria 4). En su lugar, utilizamos un modelo atomístico empírico para estimar la conductividad térmica de la capa dañada31 (consulte la sección complementaria 5). Este modelo calcula la dispersión de fonones y electrones localmente en cada sitio atómico y la mayor contribución de la dispersión de impurezas de Mott-Jones en átomos con significativamente más energía que el promedio térmico. Es probable que la dispersión total debida a una vacante llena de helio sea muy similar a la de una monovacante vacía, ya que los átomos de helio no aportan electrones de valencia35. Por lo tanto, este modelo atomístico se ajusta sólo a la conductividad medida del tungsteno puro en el rango de 300 a 600 K28 y a la resistividad por par de Frenkel36. La tasa de dispersión en sitios atómicos se muestra en la Fig. 3 (a), destacando la naturaleza distribuida de la dispersión debido a vacantes y defectos intersticiales.

A la temperatura de implantación de 573 K, la movilidad de las vacantes es baja y no se espera una agrupación significativa de vacantes ni un crecimiento de burbujas37,38. Sin embargo, es difícil cuantificar exactamente el número de intersticiales y vacantes retenidos en la muestra después de la implantación a una temperatura finita. Los cálculos de daños utilizando SRIM27 indican que se forman aproximadamente 60 pares Frenkel por helio inyectado, la mayoría de los cuales se recombinan casi inmediatamente después de la generación. Los cambios que observamos se deben a los pocos defectos residuales que no se han recombinado. Por lo tanto, modelamos la difusividad térmica para un rango de concentraciones de pares de Frenkel (Fig. 3 (b)). Las curvas previstas para pares Frenkel de 900 appm y 3000 appm proporcionan un buen ajuste a los datos experimentales para muestras implantadas con dosis de helio baja (280 appm) y alta (3100 appm), respectivamente. La relación de helio a vacantes de ~1:3 en la dosis de implantación más baja se puede comparar con el valor de 1:5 calculado por Becquart39, quien señaló que en dosis bajas de helio la retención de defectos está dominada por impurezas, sobre todo carbono. En las presentes muestras de tungsteno, el carbono está presente en una concentración de ~900 appm. Con la dosis de implantación más alta, la relación helio/vacantes se acerca a 1:1 a medida que disminuye la importancia relativa de las impurezas y la recombinación del par de Frenkel se ve obstaculizada predominantemente por el helio que ocupa las vacantes24.

La difusividad térmica medida a temperatura ambiente en la muestra con alta dosis de helio (0,36 cm2s-1) también se puede comparar con la de otras muestras con niveles similares de daño en cascada (~0,2 dpa). En el tungsteno irradiado con neutrones (623 K, 0,2 dpa), la difusividad térmica fue mucho mayor (0,60 cm2s-1)9, mientras que en el tungsteno implantado con iones de Cu (298 K, 0,2 dpa), se midió un valor significativamente menor (0,29 cm2s-1). )19. Esto sugiere que el dpa calculado no proporciona una guía confiable para el cambio en las propiedades del transporte térmico. Este es particularmente el caso ya que el gas retenido y las impurezas claramente juegan un papel central en la determinación de las tasas de eliminación/aniquilación de defectos.

En conclusión, hemos demostrado la viabilidad de mediciones de transporte térmico de alta fidelidad en capas superficiales dañadas por implantación de iones de micrones de espesor. Nuestro enfoque abre la puerta a una caracterización integral de las propiedades de transporte térmico en materiales implantados con iones. La técnica de rejilla transitoria no requiere contacto físico, lo que la hace ideal para la caracterización de muestras radiactivas y mediciones in situ. Hemos demostrado que el cambio en la difusividad térmica no es una función trivial de la fluencia de iones y puede ofrecer una idea de la evolución microestructural posterior a la implantación de defectos invisibles en la microscopía electrónica de transmisión. En la actualidad, la degradación de las propiedades de transporte térmico debido a daños por irradiación no se tiene en cuenta en el diseño del blindaje desviador DEMO40,41. Dadas las reducciones sustanciales en las difusividades térmicas que hemos medido, parece esencial que estos efectos se consideren en futuras iteraciones de diseño.

Las muestras de tungsteno y tungsteno-renio se produjeron mediante fusión por arco de polvos elementales de alta pureza (99,9%). Los trozos resultantes se seccionaron y se pulieron mecánicamente, finalizándose con un paso de pulido de sílice coloidal para producir un acabado superficial de alta calidad. La microscopía óptica mostró granos de hasta 1 mm de tamaño. La difracción por retrodispersión de electrones no mostró una textura significativa. Se implantaron muestras de tungsteno con iones de helio en el Centro Nacional de Haz de Iones de la Universidad de Surrey, Reino Unido, utilizando 12 energías iónicas diferentes, desde 0,05 MeV hasta 1,8 MeV25. Los perfiles de daño por implantación y colisión (Fig. S1 complementaria) se calcularon utilizando el código 27 del rango de parada de iones en materia con una energía de desplazamiento de tungsteno de 68 eV.

Se utilizaron dos pulsos de excitación cortos (longitud de onda de 515 nm, duración del pulso de 60 ps y energía del pulso de 1,75 μJ) para generar la rejilla transitoria (Fig. 1 (a)). La mayoría de las mediciones se realizaron utilizando un período de rejilla λ = 2,74 μm, con algunas mediciones de confirmación en tungsteno puro utilizando también λ = 9 μm. La desviación del período de rejilla real con respecto al valor nominal fue insignificante (menos del 0,5%), lo que se confirma comparando la velocidad de la onda acústica superficial medida en tungsteno con el valor publicado en la literatura24. La caída de la rejilla de temperatura y las ondas acústicas de la superficie se estudiaron mediante difracción de un haz de sonda casi continuo (longitud de onda de 532 nm, potencia promedio de 10 mW). El haz difractado se heterodina con un haz de referencia reflejado (Fig. 1 (b)) y el haz combinado se dirigió a un fotodiodo de avalancha rápida. Las trazas de tiempo se registraron en un osciloscopio. El ancho de banda del sistema de detección era de aproximadamente 2 GHz. Se utilizaron tamaños de punto de excitación y sonda de 500 μm y 150 μm de diámetro respectivamente a un nivel de intensidad 1/e2. Todas las mediciones se llevaron a cabo en un criostato (//www.janis.com) en vacío medio (10-2 mbar). La temperatura máxima de medición (473 K) fue impuesta por las limitaciones de la etapa de calentamiento disponible. No existe ninguna limitación intrínseca a las temperaturas a las que se pueden realizar mediciones de rejillas transitorias.

Cómo citar este artículo: Hofmann, F. et al. Medición sin contacto de la difusividad térmica en materiales nucleares implantados con iones. Ciencia. Rep. 5, 16042; doi: 10.1038/srep16042 (2015).

Rieth, M. y col. Avances recientes en la investigación de materiales de tungsteno para aplicaciones de fusión nuclear en Europa. Revista de materiales nucleares 432, 482–500, doi: 10.1016/j.jnucmat.2012.08.018 (2013).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Maisonnier, D. y col. Estudios conceptuales de centrales eléctricas en Europa. Fusión Nuclear 47, 1524, doi: 10.1088/0029-5515/47/11/014 (2007).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Asakura, N. y col. Un estudio de simulación del manejo de gran potencia en el desviador de un reactor de demostración. Fusión nuclear 53, 123013, doi: 10.1088/0029-5515/53/12/123013 (2013).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Rieth, M. y col. Revisión del programa EFDA sobre tecnología y ciencia de materiales de tungsteno. Revista de materiales nucleares 417, 463–467, doi: 10.1016/j.jnucmat.2011.01.075 (2011).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Norajitra, P. y col. Avance del desarrollo del desviador refrigerado por He para DEMO. Ingeniería y diseño de fusión 86, 1656–1659, doi: 10.1016/j.fusengdes.2010.12.005 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Gilbert, MR, Dudarev, SL, Zheng, S., Packer, LW y Sublet, J.-C. Un modelo integrado para materiales en una planta de energía de fusión: transmutación, producción de gas y fragilización del helio bajo irradiación de neutrones. Fusión nuclear 52, 083019, doi: 10.1088/0029-5515/52/8/083019 (2012).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Tanno, T. y col. Efectos de los elementos de transmutación sobre la evolución microestructural y la resistividad eléctrica del tungsteno irradiado con neutrones. Revista de materiales nucleares 386–388, 218–221, doi: 10.1016/j.jnucmat.2008.12.091 (2009).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Fujitsuka, M., Tsuchiya, B., Mutoh, I., Tanabe, T. y Shikama, T. Efecto de la irradiación de neutrones sobre la difusividad térmica de las aleaciones de tungsteno-renio. Revista de materiales nucleares 283–287, parte 2, 1148–1151, doi: 10.1016/S0022-3115(00)00170-7 (2000).

ADS del artículo Google Scholar

Roedig, M. y col. Pruebas posteriores a la irradiación de muestras de los experimentos de irradiación PARIDE 3 y PARIDE 4. Journal of Nuclear Materials 329–333, Parte A, 766–770, doi: 10.1016/j.jnucmat.2004.04.176 (2004).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Pavo real, AT et al. Resumen de las actividades recientes de I+D de materiales europeos relacionadas con ITER. Revista de materiales nucleares 329–333, parte A, 173–177, doi: 10.1016/j.jnucmat.2004.04.008 (2004).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Yoshida, N. Revisión de trabajos recientes en desarrollo y evaluación de materiales de revestimiento de plasma de alto Z. Revista de materiales nucleares 266–269, 197–206, doi: 10.1016/S0022-3115(98)00817-4 (1999).

ADS del artículo Google Scholar

Debelle, A. y col. Comportamiento del helio y distribución de defectos de vacantes en tungsteno implantado con helio. Revista de materiales nucleares 362, 181–188, doi: 10.1016/j.jnucmat.2007.01.021 (2007).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Fu, C.-C. & Willaime, F. Estudio ab initio de helio en α-Fe: disolución, migración y agrupación con vacantes. Revisión física B 72, 064117, doi: 10.1103/PhysRevB.72.064117 (2005).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Lucas, G. & Schäublin, R. Efectos del helio en cascadas de desplazamiento en hierro α. Revista de Física: Materia Condensada 20, 415206, doi: 10.1088/0953-8984/20/41/415206 (2008).

Artículo CAS Google Scholar

Kornelsen, EV La interacción del helio inyectado con defectos de red en un cristal de tungsteno. Efectos de la radiación 13, 227–236, doi: 10.1080/00337577208231184 (1972).

Artículo CAS Google Scholar

Kiener, D. y col. Aplicación de pruebas a pequeña escala para la investigación de materiales irradiados con haces de iones. Revista de investigación de materiales 27, 2724–2736, doi: 10.1557/jmr.2012.303 (2012).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Hardie, CD, Roberts, SG y Bushby, AJ Comprensión de los efectos de la irradiación de iones mediante técnicas de nanoindentación. Revista de materiales nucleares 462, 391–401, doi: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.066 (2015).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Armstrong, DEJ y cols. Caracterización a pequeña escala de materiales nucleares irradiados: Parte II, pruebas de nanoindentación y microvoladizos de materiales nucleares irradiados con iones. Revista de materiales nucleares 462, 374–381, doi: 10.1016/j.jnucmat.2015.01.053 (2015).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Dechaumphai, E. y col. Caracterización térmica cerca de la superficie de componentes enfrentados a plasma utilizando el método 3-omega. Revista de materiales nucleares 455, 56–60, doi: 10.1016/j.jnucmat.2014.03.059 (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Khafizov, M., Yablinsky, C., Allen, TR y Hurley, DH Medición de la conductividad térmica en silicio irradiado con protones. Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección B: Interacciones de haces con materiales y átomos 325, 11–14, doi: 10.1016/j.nimb.2014.02.003 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Pakarinen, J. y col. Cambios de microestructura y reducción de la conductividad térmica en UO2 después de una irradiación de iones He2+ de 3,9 MeV. Revista de materiales nucleares 454, 283–289, doi: 10.1016/j.jnucmat.2014.07.053 (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Eichler, HJ, Günter, P. & Pohl, DW Rejillas dinámicas inducidas por láser. vol. 50 (Springer-Verlag, 1986).

Käding, OW, Skurk, H., Maznev, AA y Matthias, E. Rejillas térmicas transitorias en superficies para la caracterización térmica de materiales a granel y películas delgadas. Aplica. Física. A 61, 253–261, doi: 10.1007/BF01538190 (1995).

ADS del artículo Google Scholar

Hofmann, F. y col. Hinchazón de la red y cambio de módulo en una aleación de tungsteno implantada con helio: microdifracción de rayos X, mediciones de ondas acústicas de superficie y modelado multiescala. Acta Materialia 89, 352–363, doi: 10.1016/j.actamat.2015.01.055 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Beck, CE, Roberts, SG, Edmondson, PD y Armstrong, DEJ Efecto de la composición de la aleación y la irradiación con iones de helio sobre las propiedades mecánicas del tungsteno, tungsteno-tantalio y tungsteno-renio para aplicaciones de energía de fusión. Biblioteca de procedimientos en línea de MRS 1514, 99–104, doi: 10.1557/opl.2013.356 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

DeBroglie, I., Beck, C., Liu, W. y Hofmann, F. Dependencia de la temperatura de la hinchazón de la red inducida por la implantación de helio en tungsteno policristalino: microdifracción de rayos X y modelado de tensión propia. Scripta Materialia 107, 4, doi: 10.1016/j.scriptamat.2015.05.029 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Ziegler, JF, Ziegler, MD & Biersack, JP SRIM - La detención y diversidad de iones en la materia (2010). Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física, Sección B: Interacciones de haces con materiales y átomos 268, 1818–1823, doi: 10.1016/j.nimb.2010.02.091 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Ho, CY, Powell, RW y Liley, PE Conductividad térmica de los elementos. Revista de datos de referencia físicos y químicos 1, 279–421, doi: 10.1063/1.3253100 (1972).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Ziman, JM Electrones y fonones: la teoría de los fenómenos de transporte en sólidos. (Prensa de la Universidad de Oxford, 2001).

Wiesmann, H. y col. Modelo simple para caracterizar la resistividad eléctrica en superconductores A-15. Cartas de revisión física 38, 782–785, doi: 10.1103/PhysRevLett.38.782 (1977).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Mason, DR Incorporación de efectos no adiabáticos en potenciales de átomos integrados para simulaciones en cascada de daños por radiación. Revista de Física: Materia Condensada 27, doi: 10.1088/0953-8984/27/14/145401 (2015).

White, GK y Collocott, SJ Capacidad calorífica de los materiales de referencia: Cu y W. Journal of Physical and Chemical Reference Data 13, 1251–1257, doi: 10.1063/1.555728 (1984).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Nix, FC y MacNair, D. La expansión térmica de los metales puros. II: Molibdeno, Paladio, Plata, Tantalio, Tungsteno, Platino y Plomo. Revisión física 61, 74–78, doi: 10.1103/PhysRev.61.74 (1942).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Lhuillier, PE y cols. Atrapamiento y liberación de helio en tungsteno. Revista de materiales nucleares 416, 13–17, doi: 10.1016/j.jnucmat.2010.12.042 (2011).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Nguyen-Manh, D. & Dudarev, SL Atrapamiento de grupos de He por impurezas de gas inerte en tungsteno: predicciones de primeros principios y validación experimental. Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección B: Interacciones de haces con materiales y átomos 352, 86–91, doi: 10.1016/j.nimb.2014.11.097 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Ullmaier, H. Defectos atómicos en metales. vol. 25 (Springer-Verlag, 1991).

Rasch, KD, Siegel, RW & Schultz, H. Investigaciones de enfriamiento y recuperación de vacantes en tungsteno. Revista Filosófica A 41, 91–117, doi: 10.1080/01418618008241833 (1980).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Sharafat, S., Takahashi, A., Nagasawa, K. y Ghoniem, N. Una descripción del crecimiento de burbujas impulsado por tensión de tungsteno implantado con helio. Revista de materiales nucleares 389, 203–212, doi: 10.1016/j.jnucmat.2009.02.027 (2009).

Becquart, CS & Domain, C. Un objeto Cinético Monte Carlo Simulación de la dinámica del helio y defectos puntuales en tungsteno. Revista de materiales nucleares 385, 223–227, doi: 10.1016/j.jnucmat.2008.11.027 (2009).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Reiser, J. & Rieth, M. Optimización y limitaciones de conceptos desviadores DEMO conocidos. Ingeniería y diseño de fusión 87, 718–721, doi: 10.1016/j.fusengdes.2012.02.010 (2012).

Artículo CAS Google Scholar

Li-Puma, A. et al. Potencial y límites de los conceptos de desviador enfriado por agua basados ​​en diseño monobloque como posibles candidatos para un reactor DEMO. Ingeniería y diseño de fusión 88, 1836–1843, doi: 10.1016/j.fusengdes.2013.05.114 (2013).

Artículo CAS Google Scholar

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Agradecemos a CE Beck por preparar las muestras y a N. Peng por llevar a cabo la implantación de iones. FH reconoce la financiación del fondo John Fell (122/643) y de la Royal Society (RG130308). Las mediciones de rejillas transitorias en el MIT fueron respaldadas como parte del Centro de Investigación Energy Frontier S3TEC financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. bajo el premio no. DE-SC0001299/DE-FG02-09ER46577. En parte, este trabajo se ha llevado a cabo en el marco del Consorcio EUROfusion y ha recibido financiación del programa de investigación y formación de Euratom 2014-2018 en virtud del acuerdo de subvención no. 633053. Para obtener más información sobre los datos y modelos subyacentes en este artículo, comuníquese con [email protected]. Los puntos de vista y opiniones expresados ​​en este documento no reflejan necesariamente los de la Comisión Europea. Este trabajo fue financiado parcialmente por el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido a través de las subvenciones del programa EP/G050031 y EP/H018921/1.

Departamento de Ciencias de la Ingeniería, Universidad de Oxford, Parks Road, Oxford, OX1 3PJ, Reino Unido

F.Hofmann

CCFE, Culham Science Centre, Abingdon, OX14 3DB, Reino Unido

DR Mason y SL Dudarev

Departamento de Química, Instituto Tecnológico de Massachusetts, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, EE. UU.

JK Eliason, AA Maznev y KA Nelson

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FH diseñó los experimentos. FH y JKE realizaron las mediciones. FH y DRM llevaron a cabo el análisis y modelado de datos. FH, DRM y JKE escribieron el artículo. AAM, KAN y SLD leyeron y comentaron el manuscrito.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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Hofmann, F., Mason, D., Eliason, J. et al. Medición sin contacto de la difusividad térmica en materiales nucleares implantados con iones. Representante científico 5, 16042 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16042

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Recibido: 14 de junio de 2015

Aceptado: 06 de octubre de 2015

Publicado: 03 de noviembre de 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16042

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