Η θερμοπυρηνική σύντηξη προσφέρει τη δυνατότητα για ασφαλή, άφθονη, καθαρή και βιώσιμη πηγή ενέργειας με τη χρήση μικρών ποσοτήτων καυσίμου (ισοτόπων του υδρογόνου). Οι υψηλές τιμές της θερμοκρασίας αλλά και οι υψηλές ροές νετρονίων και άλλων σωματιδίων υψηλής ενέργειας που επικρατούν κατά την λειτουργία μιας διάταξης μαγνητικής συγκράτησης του πλάσματος (Tokamak) καθιστούν απαραίτητη την χρήση υλικών που είναι ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και στην ακτινοβολία. Το βολφράμιο (W) είναι υποψήφιο υλικό για τα εσωτερικά τοιχώματα των αντιδραστήρων σύντηξης, λόγω του υψηλού σημείου τήξης, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της χαμηλής συγκράτησης τριτίου και της ανθεκτικότητας σε θερμικές καταπονήσεις. Ωστόσο, το βολφράμιο πάσχει από ψαθυρή συμπεριφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες, λόγω της σχετικά υψηλής θερμοκρασίας μετάβασης από την ολκιμότητα στην ψαθυρότητα (DBTT) που κυμαίνεται μεταξύ 400 και 700 Κ, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την περιορισμένη χρηστικότητά του.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής του Βασίλη Χατζίκου είναι η μελέτη των προϊόντων μεταστοιχείωσης του βολφραμίου καθώς και των ατελειών ανοιχτού όγκου που δημιουργούνται σε αυτό συναρτήσει της θερμοκρασίας ακτινοβόλησης, της δόσης ακτινοβολίας των νετρονίων αλλά και της μικροδομής του βολφραμίου. Για την επίτευξη της έρευνας αυτής χρησιμοποιούνται οι τεχνικές της γ-φασματοσκοπίας και της φασματοσκοπίας εξαΰλωσης ποζιτρονίων.

Τρεις τύποι βολφραμίου είναι υπό μελέτη α) μονοκρυσταλλικό βολφράμιο W(100), β) έντονα παραμορφωμένο φύλλο βολφραμίου με ψυχρή έλαση και γ) διπλά σφυρηλατημένο βολφράμιο σε μορφή τετράγωνης ράβδου (ITER grade). Τα υλικά αυτά έχουν ακτινοβοληθεί στον ερευνητικό αντιδραστήρα BR2 στο Βέλγιο, σε τέσσερεις θερμοκρασίες (600, 800, 900 και 1200 °C) και σε δόσεις ακτινοβόλησης που αντιστοιχούν σε 0.1, 0.18, 0.5 και 0.75 displacements per atom (dpa).

Τα πειραματικά αποτελέσματα των μετρήσεων γ-φασματοσκοπίας σε δείγματα του βολφραμίου οδηγούν στην ταυτοποίηση αλλά και τον προσδιορισμό των ραδιενεργών ισοτόπων του Βολφραμίου, του Ρηνίου και του Τανταλίου σε συνάρτηση με τη δόση ακτινοβόλησης νετρονίων. Μέσω της σύγκρισης των πειραματικών τιμών με θεωρητικούς υπολογισμούς, χρησιμοποιώντας τον κώδικα μεταφοράς νετρονίων MCNP και των κώδικα προσομοίωσης παραγωγής ραδιοϊσοτόπων FISPACT-II, επιτυγχάνεται η ποσοτικοποίηση των προϊόντων μεταστοιχείωσης στο ακτινοβολημένο βολφράμιο.

Με την τεχνική της φασματοσκοπίας εξαΰλωσης ποζιτρονίων (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy – PALS) προσδιορίζονται η εξέλιξη του τύπου των ατελειών ανοιχτού όγκου (κενοπλεγματικά, εξαρθρώσεις και συμπλέγματα αυτών) καθώς και οι σχετικές τους συγκεντρώσεις συναρτήσει της θερμοκρασίας ακτινοβόλησης και της δόσης. Επιπλέον, η εξέλιξη των ατελειών ανοιχτού όγκου θα συσχετιστεί με τα προϊόντα μεταστοιχείωσης.

Η κατανόηση των επιδράσεων της ακτινοβολίας ενεργετικών ιόντων και νετρονίων σε ατσάλια παρουσιάζει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον ενώ επιπλέον έχει  πολύ σημαντικές τεχνολογικές επιπτώσεις που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας μέσω σύντηξης. Αυτές οι δύο πτυχές είναι αλληλένδετες, καθώς η βασική κατανόηση των φαινομένων θα προωθήσει την ανάπτυξη υλικών ανθεκτικών στην ακτινοβολία, απαραίτητα για την υλοποίηση των διεθνών σχεδίων για την κατασκευή αντιδραστήρα σύντηξης μέσα στα επόμενα είκοσι χρόνια.

Τα φερριτικά-μαρτενσιτικά ατσάλια βασισμένα σε κράματα Fe-Cr είναι υποψήφια δομικά υλικά των μελλοντικών μονάδων παραγωγής ενέργειας μέσω σύντηξης. Αυτά τα υλικά θα εκτίθενται σε εξαιρετικά υψηλές ροές νετρονίων και σε υψηλές θερμοκρασίες.

H ακτινοβόληση με ιόντα του ίδου στοιχείου του υλικού προσομοιώνει τις ατέλειες που δημιουργούνται με ακτινοβόληση με νετρόνια, διότι οι σημαντικότερες βλάβες προκύπτουν από τη δημιουρία πρωταρχικά ανακρουόμενων ατόμων (PKA) στο υλικό, στα οποία τα νετρόνια μεταφέρουν την ενέργειά τους.

Η αποσύνθεση που λαμβάνει χώρα στα κράματα FeCr κατά τη θερμική γήρανση συμβαίνει συνήθως στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ 773 και 813 Κ, όπου η θερμική διάχυση είναι επαρκής για να οδηγήσει σε αυτήν. Κατά την ακτινοβόληση, τάξη μικρής εμβέλειας ή αποσύνθεση μπορούν να παρατηρηθούν ακόμη και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, επειδή ο υπερκορεσμός των σημειακών ατελειών επιταχύνει τις διαδικασίες διάχυσης, δηλαδή τον διαχωρισμό που προκαλείται από την ακτινοβολία (radiation induced segregation, RIS). RIS είναι η διαδικασία με την οποία η σύσταση ενός κράματος μεταβάλλεται λόγω της προτιμητέας συμμετοχής κάποιων στοιχείων σε ροή προς παγίδες μαζί με τις κενές πλεγματικές θέσεις (vacancies) και/ή τα άτομα σε ενδοπλεγματικές θέσεις (interstitial atoms).

Ο στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης της ακτινοβόλησης με ιόντα σιδήρου στις ιδιότητες υμενίων Fe-Cr συναρτήσει της συγκέντρωσης Cr, της δόσης και θερμοκρασίας ακτινοβόλησης, του ρυθμού βλάβης και της ενέργειας των ιόντων του σιδήρου. Η μελέτη θα επικεντρωθεί στον προσδιορισμό των συνθηκών ισορροπίας που αντανακλώνται στην περιεκτικότητα του διαλυμένου Cr στη μήτρα του υλικού μετά την ακτινοβόληση. Επίσης, τα παρατηρούμενα φαινόμενα θα συσχετιστούν με τη μηχανική συμπεριφορά των ακτινοβολημένων υμενίων FeCr.

Οι υψηλές τιμές της θερμοκρασίας αλλά και οι υψηλές ροές νετρονίων και άλλων σωματιδίων υψηλής ενέργειας που επικρατούν κατά την λειτουργία μιας διάταξης μαγνητικής συγκράτησης του πλάσματος (Tokamak) καθιστούν απαραίτητη την χρήση υλικών που είναι ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και στην ακτινοβολία. Το βολφράμιο είναι υποψήφιο υλικό για τα εσωτερικά τοιχώματα ενός αντιδραστήρα σύντηξης, λόγω του υψηλού σημείου τήξης, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, της χαμηλής συγκράτησης τριτίου και της ανθεκτικότητας σε θερμικές καταπονήσεις. Ωστόσο, το βολφράμιο πάσχει από ψαθυρή συμπεριφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες, λόγω της σχετικά υψηλής θερμοκρασίας μετάβασης από την ολκιμότητα στην ψαθυρότητα, περιορίζοντας την εκμετάλλευσή του.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής του Δημήτρη Παπαδάκη αποτελεί η μελέτη της ανόπτησης σε υλικά βολφραμίου ακτινοβολημένα με νετρόνια σε αντιδραστήρα σχάσης.

Επιλεγμένα ακτινοβολημένα με νετρόνια υλικά βολφραμίου θα ανoπτηθούν σε εύρος θερμοκρασιών 600 – 1500 oC με στόχο τη μελέτη επαναφοράς των ιδιοτήτων του βολφραμίου στην κατάσταση πριν την ακτινοβόληση. Η ακτινοβολία με νετρόνια έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ατελειών στο υλικά. Με την τεχνική της φασματοσκοπίας εξαϋλωσης ποζιτρονίων (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) θα προσδιοριστεί  το είδος και το ποσοστό των ατελειών ανοιχτού όγκου. Παράλληλα, μέσω οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (SEM), καθώς και περιθλασιμετρίας ακτίνων Χ (XRD), θα προσδιοριστούν οι μεταβολές στη δομή των υλικών κατά την ανόπτηση και την ακτινοβόληση.

Η ανόπτηση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες  μεταβάλει τη δομή των υλικών μέσω μηχανισμών διάχυσης και αλληλεπίδρασης των ατελειών στο κρυσταλλικό πλέγμα, ή ακόμα και μέσα της επανακρυστάλλωσης. Οι δομικές αλλαγές αυτές έχουν ως αποτέλεσμα τη μεταβολή των μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών. Με διάφορες τεχνικές προσδιορισμού μηχανικών ιδιοτήτων (Indentation, Impulse Excitation), αλλά και ηλεκτρικών ιδιοτήτων (αντίσταση συνεχούς τάσης), θα γίνει συσχέτιση των δομικών μεταβολών με τις μεταβολές στις φυσικές ιδιότητες του υλικού.

Η διδακτορική διατριβή θα υποστηριχθεί στο Τμήμα Φυσικής του ΕΚΠΑ.

Σκοπός της εργασίας είναι την πειραματική μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ατελειών που δημιουργούνται κατά την ακτινοβόληση και προσμίξεων σε φερριτικά κράματα με βάση το Fe-Cr. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με θεωρητικές προβλέψεις με σκοπό την επιβεβαίωση των σχετικών θεωρητικών μοντέλων.

Τα φερριτικά κράματα Fe-Cr αποτελούν τα κύρια δομικά υλικά που προβλέπεται να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή των μελλοντικών αντιδραστήρων σύντηξης. Οι επιθυμητές ιδιότητες των κραμάτων αυτών (μηχανικές, θερμικές) καθορίζονται σε μεγάλο βαθμό από διάφορες επιπλέον προσμίξεις, όπως για παράδειγμα ο άνθρακας (C) και το άζωτο (Ν), οι οποίες βρίσκονται μεν σε μικρή συγκέντρωση, παίζουν όμως σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της μικροδομής των κραμάτων. Κατά την ακτινοβόληση η μετατόπιση ατόμων από τις κρυσταλλικές τους θέσεις λόγω κρούσεων με τα ενεργητικά σωματίδια οδηγεί στην εμφάνιση ατελειών, όπως πλεγματικών κενών και ενδοπλεγματικών ατόμων, οι οποίες κατά την διάχυσή τους μέσα στο πλέγμα αλληλεπιδρούν με τις προσμίξεις του κράματος και οδηγούν έτσι σε αλλαγές στη μικροδομή και στις μακροσκοπικές ιδιότητες.

Για την πειραματική μελέτη αυτών των φαινομένων δείγματα κραμάτων ακτινοβολούνται στον επιταχυντή TANDEM του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» στη διάταξη IR2 με ταχέα πρωτόνια. Οι ακτινοβολήσεις διεξάγονται σε κρυογενική θερμοκρασία ώστε οι παραγόμενες ατέλειες να είναι αρχικά ακίνητες. Στη συνέχεια, με σταδιακή και ελεγχόμενη αναθέρμανση του δείγματος, επιτρέπεται η θερμική διάχυση των ατελειών και η μελέτη της αλληλεπίδρασής τους με τις διάφορες προσμίξεις. Η παρατήρηση των ατελειών από την ακτινοβόληση γίνεται με μετρήσεις in-situ της ηλεκτρικής αντίστασης των κραμάτων ενώ η αλληλεπίδραση με τις προσμίξεις εξάγεται από τη συγκριτική μελέτη κραμάτων με διαφορετική συγκέντρωση προσμίξεων.

Η αλληλεπίδραση μεταξύ του πλάσματος και των τοιχωμάτων που το περιβάλλει αποτελεί μείζον ζήτημα για την ασφαλή λειτουργία των αντιδραστήρων σύντηξης. To βηρύλλιο (Be) είναι υποψήφιο υλικό για τα εσωτερικά τοιχώματα του ITER και μελλοντικών αντιδραστήρων σύντηξης με μαγνητική συγκράκτηση πλάσματος. To βηρύλλιο λόγω του χαμηλού ατομικού αριθμού δεν διαταράσσει την ευστάθεια του πλάσματος και παρουσιάζει χαμηλή παρακράτηση καυσίμου, γεγονός σημαντικό τόσο για τον χρόνο ζωής του τοιχώματος όσο και για τη διατήρηση του καυσίμου.

Επίσης, το βηρύλλιο συγκρατεί το οξυγόνο με αποτέλεσμα την μείωσή του εντός του Tokamak. Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής του Παύλου Τσαβαλά είναι η μελέτη των εσωτερικών τοιχωμάτων του κύριου θαλάμου του JET Tokamak μετά την έκθεσή τους στο πλάσμα με σκοπό να προσδιορισθεί η διάβρωση, η παρακράτηση καυσίμου και η εναπόθεση υλικού από άλλες περιχές του tokamak. Για την επίτευξη της έρευνας αυτής χρησιμοποιούνται οι εξής μέθοδοι:

1. Ανάλυση με τη χρήση ιοντικών δεσμών δευτερίου (2H) και ηλίου (3Ηe) για την ανίχνευση, την ποσοτικοποίηση και τον προσδιορισμό της συγκέντρωσης, συναρτήσει του βάθους, ελαφρών στοιχείων (δευτέριο, βηρύλλιο, άνθρακας, άζωτο και οξυγόνο) και μικροδέσμης για την επιφανειακή χαρτογράφηση των στοιχείων αυτών.
2. Μετρήσεις της διαφορικής ενεργού διατομής των αντιδράσεων της δέσμης δευτερίου με βηρύλλιο, οι οποίες είναι απαραίτητες για την ποσοτικοποίηση των μετρήσεων πυρηνικών αντιδράσεων με δευτέριο.
3. Φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ για τον προσδιορισμό της σχετικής συγκέντρωσης των βαρύτερων στοιχείων (χρώμιο, σίδηρο, νικέλιο, μολυβδένιο και βολφράμιο) σε όλο τον όγκο των δείγματων.
4. Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης με φασματοσκοπία ενεργειακής ανάλυσης ακτινών Χ για την χαρτογράφηση των βαρύτερων στοιχείων και την απεικόνιση την μορφολογίας της επιφανειας.
5. Περίθλαση ακτίνων Χ για τον προσδιορισμό των νέων χημικών ενώσεων που έχουν δημιουργηθεί στα δείγματα.
   Η διδακτορική διατριβή θα υποστηριχθεί στη Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών του Εθνικού Μετσόβειου Πολυτεχνειού.