إعلان PRIN 2022D. D. N. 104 بتاريخ 2 فبراير 2022

عنوان المشروع: RaDAMES: أضرار الإشعاع في المواد الإنشائية لمفاعلات الاندماج تحت تأثير التشعيع بالنيوترونات: قياسات المقاطع العرضية، واستراتيجيات التخفيف الممكنة، وبروتوكولات اختبار المواد

رمز CUP B53D23005050006

الميزانية: € 65.098

الباحث الرئيسي أو مسؤول وحدة البحث Prof. Giuseppe Demelio

وحدات البحث الأخرى أو الوحدات الفرعية المحتملة د. Nicola colonna (INFN)، د. Annamaria Mazzone (CNR)

وصف موجز للمشروع
تناول المشروع دراسة الأضرار الناجمة عن النيوترونات في المواد الإنشائية المعدّة للاستخدام في مفاعلات الاندماج المستقبلية. وانصب تركيزه الأساسي على إنتاج الغازات الناتج عن تفاعلات انبعاث الجسيمات المشحونة المستحثة بالنيوترونات، والتي قد تؤثر تأثيرًا كبيرًا في سلوك المواد وموثوقيتها على المدى الطويل عند تعرضها لحقول نيوترونية مماثلة لتلك الموجودة في الاندماج. ولمعالجة هذه المسألة، جمع المشروع بين مناهج تجريبية وحاسوبية وتشخيصية متكاملة. وتركزت الأنشطة التجريبية أساسًا على تقييم إمكانية قياس المقاطع العرضية للتفاعلات المعتمدة على الطاقة في منشأة n_TOF التابعة لـCERN. وفي الوقت نفسه، استُخدمت محاكاة مونت كارلو وديناميكيات الجزيئات لدراسة تفاعلات النيوترونات مع المواد وآليات أضرار الإشعاع على مستويات مختلفة. وأُولي اهتمام خاص للتنغستن، وهو مادة أساسية لتطبيقات الاندماج، ولتكوّن العيوب، مثل الفجوات والذرات الخلالية وحلقات الانخلاع والأضرار المرتبطة بالهيليوم. وبالتوازي مع ذلك، دُرست التقنيات الحرارية غير الإتلافية بوصفها أدوات محتملة للكشف عن التغيرات التي يسببها التشعيع في خصائص المواد. ونفّذ المشروع كل من INFN وCNR وجامعة بوليتكنيكو دي باري، وأسهم كل طرف بخبراته المحددة في تحقيق الأهداف العلمية العامة.

الغرض
كان الهدف الرئيسي للمشروع هو تحسين فهم الأضرار النيوترونية التي تصيب المواد المستخدمة في بيئات مفاعلات الاندماج وتقييمها. وتمثّل الهدف الأول في التحقق من إمكانية قياس تفاعلات انبعاث الجسيمات المشحونة المستحثة بالنيوترونات بدقة في منشأة n_TOF، مع التركيز خصوصًا على التفاعلات المهمة لإنتاج الغاز وتوليد التريتيوم وتدهور المواد. أما الهدف الثاني، فكان تقييم القدرة التنبؤية لمحاكاة الديناميكيات الجزيئية في وصف الأضرار الإشعاعية على المستوى الذري. وكان من المقرر أن تتيح هذه المحاكاة فهم تكوّن العيوب الناجمة عن التشعيع وتطورها واستقرارها في التنغستن. وتمثّل هدف إضافي في دراسة أثر هذه العيوب في الخصائص الحرارية والميكانيكية، وهي خصائص أساسية لضمان التشغيل الآمن لمكونات الاندماج. وسعى المشروع أيضًا إلى استكشاف أساليب التشخيص غير الإتلافي، ولا سيما التصوير الحراري المحفَّز وتقنيات الليزر النبضي، بوصفها أدوات محتملة للكشف عن الأضرار دون المساس بسلامة المادة. وبوجه عام، تمثّل الغرض النهائي في دمج القياسات التجريبية والنمذجة العددية وأساليب توصيف المواد، دعمًا لتطوير مواد أكثر أمانًا وموثوقية لتقنيات الاندماج المستقبلية.

النتائج المتوقعة
كان من المتوقع أن يقدم المشروع برهانًا عمليًا على إمكانية قياس تفاعلات الجسيمات المشحونة المستحثة بالنيوترونات في منشأة CERN n_TOF. وشمل ذلك تصميم منظومة كشف جديدة وبنائها والتحقق من صلاحيتها، بحيث تتمكن من تحديد الجسيمات المشحونة الخفيفة المنبعثة أثناء التفاعلات المستحثة بالنيوترونات. وكان من المتوقع أن تدعم محاكاة مونت كارلو العمل التجريبي من خلال تقدير كفاءة الكواشف ومعدلات العد المتوقعة والخلفية الناجمة عن حزمة النيوترونات. كما هدف المشروع إلى التمهيد لإجراء قياسات مستقبلية على نظائر تحظى باهتمام خاص لتطبيقات الاندماج، بما فيها المواد ذات الصلة بتوليد التريتيوم والأضرار النيوترونية في بطانات المفاعلات. وعلى صعيد النمذجة، كان من المتوقع أن توضح محاكاة الديناميكيات الجزيئية الآليات التي يؤدي بها التشعيع النيوتروني إلى إحداث عيوب في التنغستن وتغيير خصائصه الحرارية الفيزيائية. وكان المقصود من هذه النتائج المساعدة في الربط بين عمليات الضرر على المستوى الذري وتدهور المواد على المستوى العياني. وإضافة إلى ذلك، كان متوقعًا أن يقيّم المشروع إمكانات التقنيات الحرارية غير الإتلافية في تحديد الأضرار الناجمة عن التشعيع. وعلى نطاق أوسع، تمثّلت النتيجة المتوقعة في توفير مجموعة من الأدوات التجريبية والحاسوبية المفيدة للدراسات المستقبلية المتعلقة بالمواد الإنشائية لمفاعلات الاندماج، إلى جانب نشر أبحاث علمية وإتاحة النتائج بنظام الوصول المفتوح.

النتائج المحققة 
حقق المشروع نتائج مهمة في جميع المجالات الرئيسية المخططة. فقد طُوّر نظام مبتكر للكشف بالحالة الصلبة، واختُبر وصودق عليه في ظروف الحزم النيوترونية في منشأة n_TOF. وأثبت الجهاز قدرته على كشف الجسيمات المشحونة الخفيفة وتمييزها، مثل البروتونات والديوترونات والتريتونات وجسيمات ألفا، مع أداء واعد لقياسات المقاطع العرضية مستقبلًا. وأُجريت قياسات للتحقق باستخدام تفاعلات الكربون، وأكدت النتائج الأولية جدوى النهج التجريبي المقترح. كما استُخدمت محاكاة مونت كارلو القائمة على GEANT4 بنجاح لتحسين إعداد التجربة، وتقدير الكفاءات، وتقييم الخلفية الإشعاعية، والتخطيط للقياسات المستقبلية. وقُدّم إلى CERN مقترح لإجراء قياسات على نظائر الليثيوم والبيريليوم، وكلاهما ذو أهمية لتطبيقات الاندماج، وحظي بالموافقة. وبالتوازي، طُبقت بنجاح محاكاة الديناميكيات الجزيئية على التنغستن لدراسة العيوب الناجمة عن الإشعاع وآثارها في النقل الحراري. وأظهرت المحاكاة أن العيوب، مثل الفقاعات المملوءة بالهيليوم، والفجوات، وحلقات الانخلاعات، يمكن أن تقلل بدرجة كبيرة من الموصلية الحرارية للشبكة البلورية. كما قيّم المشروع الأساليب الحرارية غير الإتلافية، بما فيها تقنيات الليزر النبضي، بوصفها أدوات واعدة لتقييم التدهور الناجم عن التشعيع. وبوجه عام، نُفذت الأنشطة بما يتوافق مع خطة العمل المعتمدة، وأرست أساسًا متينًا لمزيد من الحملات التجريبية، ودراسات النمذجة، وتطوير وسائل التشخيص.