Zadrževanje in vpliv vodikovih izotopov v materialih, ki vsebujejo napake v kristalni rešetki

Razumevanje interakcije vodika s kristalno mrežo materiala ali strukturnih materialov izpostavljenih plazmi je ključnega pomena, saj je majhno zadrževanje vodikovih izotopov (VI) strog predpogoj v termonuklearni fuziji. V prihodnji fuzijski elektrarni energijo prenašajo visokoenergijski nevtroni, ki nastanejo s fuzijsko reakcijo devterij-tritij (D + T → He (3,5 MeV) + nevtrona (14 MeV)). Zaradi obstreljevanja z 14 MeV bodo nastale poškodbe v kristalni rešetki skozi celotno debelino materiala v količini več premikov na atom (ang. displecement per atom - dpa) na leto. Tovrstne poškodbe bodo pomembno vplivale na zadrževanje in transport HI, saj le-te delujejo kot globoke potencialne jame, v katere se VI lahko ujamejo. Doktorska nalog bo osredotočena na razvoj nove tehnike za karakterizacijo ter raziskovanje vpliva strukturnih poškodb na zadrževanje VI in obratno. V laboratoriju s tandemskim pospeševalnikom v Ljubljani želimo razviti in uporabiti novo metodo kanaliziranja ionov za karakterizacijo nastalih strukturnih poškodb in zadrževanja VI. Kot nadgradnjo obstoječih kanalizacijskih postopkov z uporabo metode s povratno sipanimi ioni (RBS-C), jo želimo združiti z absolutno kvantitativno metodo zaznavanja devterija in jo izvesti v načinu kanaliziranja, tako imenovano kanaliziranje z jedrsko analizno metodo (C-NRA). Tak pristop bo omogočil neposredno korelacijo zadrževanja VI s strukturnimi napakami (od majhnih strukturnih napak, kot so vrzeli, do velikih napak, kot so praznine) in določanje položajev atomov vodika v kristalni mreži okoli preučevanih struktur.

Kandidat bi preučeval napake v kristalni rešetki materiala nastalih zaradi obstreljevanja z visokoenergijskimi ioni in posledično vpliva napak na zadrževanje vodikovih izotopov v materialih. V okviru doktorske teme bi kandidat razvil dve analitski tehniki v načinu kanaliziranja (C-RBS ter C-NRA) v obstoječi eksperimentalni postavitvi na tandetron pospeševalniku. Razvoj ter meritve z zgoraj omenjenima metodama, bo omogočilo detekcijo napak v kristalni rešetki in količine vodika, ujetega v napakah. Ti novo razviti tehniki nam bosta omogočili nadgradnjo našega sedanjega znanja o interakciji VI z mrežnimi poškodbami, s ciljem do boljše ekstrapolacije za prihodnje fuzijske reaktorje. Predlagan projekt bo doprinesel tudi novo analizno metodo laboratorijem, ki razvijajo materiale v vodikovi tehnologiji (shranjevanje vodika) ter laboratorijem, ki preučujejo krhkost materialov zaradi vodika. Doktorsko delo bo mednarodno vpeto in bo del evropskega EUROfusion projekta.

Delo bo potekalo na Odseku za fiziko nizkih in srednjih energij (F2) na edinem slovenskem 2 MV pospeševalniku, v dinamičnem in sproščenem okolju. Zajemalo bi predvsem eksperimentalno delo v Laboratoriju za fuzijske raziskave na žarkovni liniji namenjeni preučevanju zadrževanja vodikovih izotopov v materialih ter modeliranje fizikalnih procesov, ki bodo pripomogli k razumevanju eksperimentalnih rezultatov.

Reference povezane z delom:

Markelj et al. Acta Materialia 263 (2024) 119499 https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119499

Markelj S. et al., Phys. Scr. 97 (2022) 024006 https://doi.org/10.1088/1402-4896/ac4860

Pečovnik, M., et al. Nucl. Fusion 60 (2020) 036024. 

Markelj, S., et al.  Nucl. Fusion 59 (2019) 086050.