Strahlungsinduzierte Gitterschädigung leichter Materialien in Fusionsreaktorblankets

Kurzfassung

Die hochenergetische und intensive Neutronenbelastung in plasmanahen Komponenten eines (d,t)-Fusionsreaktors stellt eine große Herausforderung für die Funktionalität und Integrität der verwendeten Materialien dar. Zur Beschreibung und Quantifizierung der Strahlenbelastung eignen sich die Schädigungsparameter im Rahmen des dpa-Konzepts. Sie kombinieren die Wahrscheinlichkeit für die Produktion eines primären Rückstoßkerns (PKA) in einer neutroneninduzierten Kernreaktion mit der Anzahl der in der sich anschließenden Kaskade von Gitteratomverlagerungen erzeugten stabilen Defekte. Üblicherweise werden solche Parameter und Schädigungsraten mit dem etablierten NRT-Lindhard-Modell berechnet.

Wegen dessen inhärenten Defiziten, nämlich Einschränkungen der zugrundeliegenden Physik und modellbedingter Unzulänglichkeiten, kann dieses nicht für leichtatomige, mono- und polyatomare Materialien im Blanket eines (d,t)-Fusionsreaktors verwendet werden. Deshalb wurden in dieser Arbeit Computersimulationen von Kollisionskaskaden auf der Basis der binären Stoßapproximation (BCA) mit dem Code Marlowe durchgeführt. Der Code mußte dazu signifikant modifiziert und erweitert werden, insbesondere durch die konsistente Behandlung ionischer Wechselwirkungen und die neu eingeführte Modellierung quaderförmiger Strukturen. Mit dem solchermaßen verbesserten BCA-Modell ist es nun möglich, in überschaubaren Simulationszeiten den primären Defektzustand auch in polyatomaren, ionisch gebundenen Materialien und ausgewählten heterogenen Strukturen adäquat zu berechnen.

Das Modell wurde in dieser Arbeit auf fusionsrelevante Gitterschädigung in Beryllium und Lithiumsilikaten angewandt. Die resultierenden Schädigungsparameter zeigen zunächst beträchtliche Differenzen zu Standardrechnungen auf, so daß bisherige dpa-Raten in Beryllium um ca. 90 % nach oben, in den Lithiumsilikaten um ca. 30 % nach unten korrigiert werden sollten. Andererseits erlauben die spezifischen Auswertungen der BCA-Kaskaden weitergehende Aussagen im Hinblick auf die Beurteilung unterschiedlicher Bestrahlungsbedingungen. Auch Materialspezifikationen können, wie diese Arbeit gezeigt hat, bereits in der dpa-Schädigung bedeutsam sein, hierbei vor allem kristalline Modifikationen und atomare Bindungen. Selbst ausgedehnte lokale Inhomogenitäten reiner Phasen können lokal zu einer schwachen Modifizierung der Schädigungsraten führen.

Radiation Induced Displacement Damage in Light Mass Materials of Fusion Reactor Blankets

Abstract

Energetic and intense neutron exposures in near-plasma components of a (d,t)-fusion reactor are expected to cast strong demands on the functionality and integrity of materials. To describe and quantify this radiation exposure damage parameters as defined in the frame of the dpa-concept are appropriate. They combine the probability for the production of a primary recoil atom (PKA) in a neutron induced nuclear reaction with the number of stable defects in the evolving cascade of displaced lattice atoms. Calculations of such parameters and damage production rates are commonly based on the well established NRT-Lindhard model.

However, due to its inherent deficiencies, i.e. restrictions of the underlying physics and insufficiencies of the modelling, the NRT model is not appropriate for light mass, mono- and polyatomic materials in blankets of (d,t)-fusion reactors. Therefore, this work has focused on computer simulations of collision cascades within the bounds of the Binary Collision Approximation (BCA) using the code Marlowe. Because of the specific requirements, the code had to be modified and extended significantly, particularly by a consistent treatment of ionic interactions and a new implementation of rectangular geometries. In this way, it is now possible to evaluate adequately the primary defect state in polyatomic, ionic materials and selected heterogeneous structures, without consuming to much computing time for the simulations.

The improved model was applied to fusion relevant displacement damage in Beryllium and Lithiumsilicates. In the first place, the resulting damage parameters exhibit significant differences to standard calculations so that previous published dpa-rates have to be corrected by +90 % in Beryllium and by -30 % in Lithiumsilicates. On the other hand, the detailed evaluation of BCA-cascades permits far-reaching statements for the assessment of various irradiation conditions. Material specifications, as shown by this work, can also be important already in the dpa-damage, especially crystalline modifications and atomic bonding. Even extended local structures in pure phases may be responsible for slight variations of local damage rates.