Badanie odporności grafenu na warunki panujące w reaktorach termojądrowych
W projektach związanych z syntezą termojądrową konieczne jest wykorzystanie materiałów odpornych na wysokie temperatury i uszkodzenia radiacyjne. Obiecujące pod tym względem są materiały bazujące na węglu, zwłaszcza nanorurki węglowe i grafen. W badaniach odporności grafenu na wysokie strumienie neutronów brali udział naukowcy z Zakładu Badań Reaktorowych NCBJ.
Reaktory termojądrowe, takie jak powstające obecnie w Cadarache we Francji urządzenie badawcze ITER, czy jego następca – DEMO (planowana budowa w Hiszpanii), wykorzystują silne pole magnetyczne do uwięzienia plazmy, podgrzanej do temperatury dziesiątek milionów °C, w której zachodzą reakcje syntezy lekkich jąder atomowych. Aby zapewnić stabilne działanie urządzenia, konieczna jest precyzyjna diagnostyka pola magnetycznego. Działające na elektronikę wysoka temperatura (rzędu kilkuset °C) i silne promieniowanie o wielu składnikach sprawiają, że większość czujników komercyjnych nie jest w stanie pracować w takich układach. Prowadzone są badania nad detektorami metalowymi opartymi np. na chromie czy bizmucie, jednak w ich przypadku problem stanowią niska czułość oraz podatność na uszkodzenia radiacyjne.
Badane są również układy wykonane w technologii kwaziswobodnego grafenu epitaksjalnego na węgliku krzemu. Warstwy grafenu mogą być formowane w bardzo czułe sensory efektu Halla. Zbadana została już odporność grafenu na działanie wiązek jonów, protonów i elektronów. W pracy, która ukazała się w czasopiśmie Applied Surface Science, po raz pierwszy sprawdzono wpływ prędkich neutronów na układ detektora opartego na grafenie. Strukturę wytworzoną przez Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki funkcjonujący w Sieci Łukasiewicz stanowiły warstwy grafenu na wysyconej atomami wodoru powierzchni węglika krzemu i pokryte warstwą ochronną z Al2O3. Układ został następnie poddany napromienieniu neutronami prędkimi wewnątrz rdzenia reaktora MARIA w NCBJ.
– Zamontowana w rdzeniu reaktora MARIA unikatowa instalacja do napromieniania neutronami prędkimi pozwala nam przeprowadzać badania materiałów, bądź podzespołów przewidywanych do wykorzystania w układach termojądrowych, w których także są generowane prędkie neutrony – opowiada dr inż. Rafał Prokopowicz, Kierownik Zakładu Badań Reaktorowych NCBJ, współautor pracy. – W przypadku badań nad strukturami detekcyjnymi z grafenu, próbki napromienialiśmy przez ponad 120 godz. neutronami prędkimi o fluencji rzędu 1017 cm-2, by oddać warunki, na jakie narażona jest elektronika w instalacjach termojądrowych – dodaje mgr Maciej Ziemba z Zakładu Badań Reaktorowych.
Strukturę i właściwości elektryczne próbek, zarówno przed jak i po napromienianiu, zbadano w Instytucie Fizyki Politechniki Poznańskiej. Wykorzystano do tego spektroskopię Ramana, badania efektu Halla oraz modelowanie z użyciem teorii funkcjonału gęstości. Charakteryzację przeprowadzano po wygrzewaniu w temperaturach od 100 do 350°C. Dzięki temu wykryto na przykład, że w materiale pojawia się zależność właściwości elektrycznych od temperatury, która nie występowała przed umieszczeniem próbek w strumieniu neutronów.
Na podstawie badań oceniono odporność grafenu na promieniowanie neutronowe jako bardzo dobrą. Wykryta gęstość uszkodzeń radiacyjnych potwierdziła dość niski przekrój czynny grafenu na oddziaływanie z neutronami prędkimi. Mimo uszkodzeń, czułość układu z grafenem na pole magnetyczne pozostaje kilka rzędów wielkości większa, niż w odpowiednikach bazujących na metalach. Dodatkowo, duża część uszkodzeń była związana nie z samymi warstwami grafenu, a z warstwą wodoru, która przy temperaturach, jakie będą panować w instalacjach takich jak DEMO, wykazuje wręcz pewien potencjał samo-naprawczy. Grafenowe detektory pola magnetycznego mogą więc stanowić obiecujące struktury do wykorzystania w reaktorach termojądrowych, w związku z czym prowadzone będą nad nimi dalsze badania.
Pełne wyniki badań są dostępne w pracy: Semir El-Ahmar, Maciej J. Szary, Tymoteusz Ciuk, Rafał Prokopowicz, Artur Dobrowolski, Jakub Jagiełło, Maciej Ziemba, Graphene on SiC as a promising platform for magnetic field detection under neutron irradiation, Applied Surface Science, Volume 590, 2022, 152992, ISSN 0169-4332, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152992
Informacja rozszerzona na stronie NCBJ: https://www.ncbj.gov.pl/aktualnosci/grafen-jako-detektor-pola-magnetycznego-reaktorach-termojadrowych
Źródło: Narodowe Centrum Badań Jądrowych
