PRIN 2022 CALL. DECREE NO. 104 OF 2 FEBRUARY 2022
PROJECT TITLE: RaDAMES: RAdiation DAMagE in Structural Materials of Fusion Reactors under Neutron Irradiation: Cross-Section Measurements, Possible Mitigation Strategies and Material Testing Protocols
CUP CODE B53D23005050006
Budget: € 65,098
P.I. or U.R. Coordinator Prof. Giuseppe Demelio
Other Research Units or any Sub-Units Dr. Nicola Colonna (INFN), Dr. Annamaria Mazzone (CNR)
Brief project description
Il progetto ha affrontato lo studio dei danni indotti dai neutroni nei materiali strutturali destinati all’impiego nei futuri reattori a fusione. Il suo obiettivo principale era la produzione di gas derivante da reazioni di emissione di particelle cariche indotte dai neutroni, che può influire in modo significativo sul comportamento a lungo termine e sull’affidabilità dei materiali esposti a campi neutronici rilevanti per la fusione. Per affrontare questa समस्या, il progetto ha combinato approcci sperimentali, computazionali e diagnostici complementari. Le attività sperimentali sono state dedicate principalmente a valutare la fattibilità della misura di sezioni d’urto di reazione dipendenti dall’energia presso la facility CERN n_TOF. Allo stesso tempo, simulazioni Monte Carlo e di dinamica molecolare sono state utilizzate per studiare le interazioni neutrone-materiale e i meccanismi di danno da radiazione a diverse scale. Particolare attenzione è stata dedicata al tungsteno, materiale chiave per le applicazioni di fusione, e alla formazione di difetti quali vacanze, interstiziali, anelli di dislocazione e danni correlati all’elio. In parallelo, tecniche termiche non distruttive sono state esplorate come possibili strumenti per rilevare le modifiche indotte dall’irraggiamento nelle proprietà dei materiali. Il progetto è stato realizzato da INFN, CNR e Politecnico di Bari, ciascuno dei quali ha contribuito con competenze specifiche al raggiungimento degli obiettivi scientifici complessivi.
Purpose
L'obiettivo principale del progetto era migliorare la comprensione e la valutazione dei danni da neutroni nei materiali utilizzati negli ambienti dei reattori a fusione. Un primo obiettivo era verificare se le reazioni di emissione di particelle cariche indotte da neutroni potessero essere misurate con precisione presso la struttura n_TOF, con particolare riferimento alle reazioni rilevanti per la produzione di gas, la riproduzione del trizio e il degrado dei materiali. Un secondo obiettivo era valutare la capacità predittiva delle simulazioni di dinamica molecolare nel descrivere i danni da radiazione su scala atomica. Queste simulazioni avevano lo scopo di fornire informazioni sulla formazione, l'evoluzione e la stabilità dei difetti indotti dall'irraggiamento nel tungsteno. Un ulteriore obiettivo era indagare in che modo tali difetti influenzino le proprietà termiche e meccaniche, fondamentali per il funzionamento sicuro dei componenti di fusione. Il progetto mirava inoltre a esplorare metodi diagnostici non distruttivi, in particolare la termografia stimolata e le tecniche laser pulsate, come possibili strumenti per rilevare i danni senza compromettere il materiale. Nel complesso, lo scopo finale era integrare misurazioni sperimentali, modellazione numerica e metodi di caratterizzazione dei materiali al fine di supportare lo sviluppo di materiali più sicuri e affidabili per le future tecnologie di fusione.
Expected results
Il progetto doveva fornire una dimostrazione concreta della fattibilità della misurazione di reazioni con particelle cariche indotte da neutroni presso CERN n_TOF. Ciò includeva la progettazione, costruzione e validazione di un nuovo sistema di rivelazione in grado di identificare particelle cariche leggere emesse durante reazioni indotte da neutroni. Si prevedeva che simulazioni Monte Carlo supportassero il lavoro sperimentale stimando l’efficienza del rivelatore, i tassi di conteggio attesi e il fondo indotto dal fascio di neutroni. Il progetto mirava inoltre a preparare il terreno per future misure su isotopi di specifico interesse per le applicazioni di fusione, inclusi materiali rilevanti per la produzione di trizio e il danno da neutroni nei blanket dei reattori. Sul versante della modellazione, si prevedeva che simulazioni di dinamica molecolare chiarissero i meccanismi attraverso i quali l’irradiazione neutronica produce difetti nel tungsteno e ne modifica le proprietà termofisiche. Questi risultati erano destinati ad aiutare a collegare i processi di danno atomistico con il degrado macroscopico dei materiali. Inoltre, il progetto doveva valutare il potenziale di tecniche termiche non distruttive per identificare i danni indotti dall’irradiazione. Più in generale, il risultato atteso era un insieme di strumenti sperimentali e computazionali utili per studi futuri sui materiali strutturali per i reattori a fusione, insieme a pubblicazioni scientifiche e alla diffusione dei risultati in accesso aperto.
Achieved results
The project achieved significant results in all the main planned areas. An innovative solid-state detection system was developed, tested, and validated under neutron-beam conditions at the n_TOF facility. The apparatus proved capable of detecting and identifying light charged particles such as protons, deuterons, tritons, and alpha particles, with promising performance for future cross-section measurements. Validation measurements were performed using carbon reactions, and preliminary results confirmed the feasibility of the proposed experimental approach. GEANT4-based Monte Carlo simulations were successfully used to optimize the setup, estimate efficiencies, evaluate background, and plan future measurements. A proposal for measurements on lithium and beryllium isotopes, both relevant to fusion applications, was submitted and approved at CERN. In parallel, molecular dynamics simulations were successfully applied to tungsten in order to study radiation-induced defects and their effects on thermal transport. The simulations showed that defects such as helium-filled bubbles, vacancies, and dislocation loops can significantly reduce lattice thermal conductivity. The project also assessed non-destructive thermal methods, including pulsed laser approaches, as promising tools for evaluating irradiation-induced degradation. Overall, the activities were completed consistently with the approved work plan and provided a strong basis for further experimental campaigns, modeling studies, and diagnostic developments.
