Synteza termojądrowa wymaga materiałów odpornych na wysokie temperatury i uszkodzenia radiacyjne. Grafen jest bardzo odporny na wysokie strumienie neutronów i może być formowany w detektory o wysokiej czułości na pole magnetyczne – ustalili m.in. naukowcy z Zakładu Badań Reaktorowych NCBJ i Instytutu Fizyki Politechniki Poznańskiej we współpracy z Instytutem Mikroelektroniki i Fotoniki w Sieci Łukasiewicz.

ELEKTRONIKA POD NAPOREM GORĄCA I PROMIENIOWANIA

Precyzyjna diagnostyka pola magnetycznego jest konieczna, by zapewnić stabilne działanie reaktora termojądrowego.

Reaktory – takie jak powstające obecnie w Cadarache we Francji urządzenie badawcze ITER, czy jego następca – demonstracyjne elektrownia termojądrowa (DEMO), wykorzystują silne pole magnetyczne do uwięzienia plazmy.

W plazmie podgrzanej do temperatury dziesiątek milionów stopni Celsjusza zachodzą reakcje syntezy lekkich jąder atomowych – wyjaśniają w materiale prasowym Piotr Spinalski i Marek Pawłowski z Biura Komunikacji i Promocji NCBJ.

Działająca na elektronikę wysoka temperatura (rzędu kilkuset stopni Celsjusza) i silne promieniowanie o wielu składnikach sprawiają, że większość czujników komercyjnych nie jest w stanie pracować w takich układach.

Detektory metalowe oparte np. na chromie czy bizmucie mają niską czułość i są podatne na uszkodzenia radiacyjne. Badane są również układy wykonane w technologii kwaziswobodnego grafenu epitaksjalnego na węgliku krzemu. Warstwy grafenu mogą być formowane w bardzo czułe sensory efektu Halla. Zbadana została już odporność grafenu na działanie wiązek jonów, protonów i elektronów.

NOWE BADANIA NAD GRAFENEM W REAKTORZE MARIA

W polskim reaktorze badawczym MARIA po raz pierwszy sprawdzono wpływ prędkich neutronów na układ detektora opartego na grafenie – wyniki zebrane zostały w pracy, która ukazała się w czasopiśmie Applied Surface Science (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.152992).

Strukturę wytworzył Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki funkcjonujący w Sieci Łukasiewicz. Stanowiły ją warstwy grafenu na wysyconej atomami wodoru powierzchni węglika krzemu i pokryte warstwą ochronną z tlenku glinu. Układ został poddany napromienieniu neutronami prędkimi.

„Zamontowana w rdzeniu reaktora MARIA unikatowa instalacja do napromieniania neutronami prędkimi pozwala nam przeprowadzać badania materiałów bądź podzespołów przewidywanych do wykorzystania w układach termojądrowych, w których także są generowane prędkie neutrony” – opowiada dr inż. Rafał Prokopowicz, kierownik Zakładu Badań Reaktorowych NCBJ, współautor pracy.

Maciej Ziemba z Zakładu Badań Reaktorowych dodaje, że badania oddawały warunki, na jakie narażona jest elektronika w instalacjach termojądrowych. Próbki napromieniowano przez ponad 120 godzin neutronami prędkimi.

Strukturę i właściwości elektryczne próbek przed i po napromieniowaniu, zbadano w Instytucie Fizyki Politechniki Poznańskiej. Wykorzystano do tego spektroskopię Ramana oraz badania efektu Halla. Modelowanie wykonano z użyciem teorii funkcjonału gęstości. Charakteryzację przeprowadzano po wygrzewaniu w temperaturach od 100 do 350 stopni Celsjusza.

Naukowcy wykryli, że właściwości elektryczne materiału są zależne od temperatury. Zależność ta nie występowała przed umieszczeniem próbek w strumieniu neutronów.

GRAFEN ODPORNY NA PROMIENIOWANIE NEUTRONOWE

Okazało się, że mimo uszkodzeń czujniki z grafenem wykrywają pole magnetyczne. Czułość takiego układu jest kilka rzędów wielkości większa, niż w odpowiednikach bazujących na metalach.

Duża część uszkodzeń nie była związana z warstwami grafenu, ale z warstwą wodoru. Przy temperaturach, jakie będą panować w instalacjach takich jak DEMO, wykazuje ona potencjał samo-naprawczy.

Naukowcy oceniają, że grafenowe detektory pola magnetycznego mogą stanowić obiecujące struktury do wykorzystania w reaktorach termojądrowych.

Pełne wyniki badań są dostępne w pracy pt. “Graphene on SiC as a promising platform for magnetic field detection under neutron irradiation” opublikowanej w czasopiśmie Applied Surface Science. Zespół autorów tworzą: Semir El-Ahmar, Maciej J. Szary, Tymoteusz Ciuk, Rafał Prokopowicz, Artur Dobrowolski, Jakub Jagiełło, Maciej Ziemba.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk