Väitös, teknillinen fysiikka, MSc Evgeniia Ponomareva

Väitöskirjan nimi: Electronic effects in radiation damage of nuclear materials under light ion impact

Väittelijä: Evgeniia Ponomareva
Vastaväittäjä: Senior Research Engineer Christophe Domain, EDF, Ranska
Kustos: Apulaisprofessori Andrea Sand, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Nykyaikaiset yhteiskunnat tarvitsevat vähähiilisiä energialähteitä, jotka vastaavat kasvavaan kysyntään ja vähentävät samalla merkittävästi ympäristövaikutuksia. Ydinfuusio on yksi mahdollinen tie kohti tätä tavoitetta. Fuusioreaktorissa vedyn isotoopit kuumennetaan yli 100 miljoonaan asteeseen plasmaolomuotoon ja pidetään koossa voimakkailla magneettikentillä. Plasmasta karkaavat hiukkaset pommittavat jatkuvasti ympäröiviä materiaaleja: vedyn isotoopit ja fuusiossa syntyvät heliumionit voivat tunkeutua reaktorin seinämiin, vaurioittaa niitä ja kuluttaa niitä. Näiden ionien ja kiinteän aineen välisten vuorovaikutusten ymmärtäminen ja ennustaminen on olennaista, jotta voidaan kehittää materiaaleja reaktoriolosuhteisiin. 

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan, miten matalaenergiset vety- ja heliumionit vuorovaikuttavat fuusion kannalta olennaisten materiaalien kanssa ja miten nämä vuorovaikutukset tulisi esittää simulaatioissa. Kun ioni osuu materiaaliin, se menettää energiaa törmäyksissä atomien kanssa ja elektronisten virittymisten kautta. Kevyillä ioneilla elektroniset energianmenetykset ovat merkittäviä jopa plasman ja seinämän vuorovaikutukselle tyypillisillä matalilla energioilla. Atomistisissa simulaatioissa, jotka ovat säteilyvaurioiden ennustamisen keskeinen työkalu, tämä osuus jätetään yleensä huomiotta tai sen oletetaan riippuvan vain ionin nopeudesta. Kiteessä ionit voivat kuitenkin kulkea atomirivien välisiä avoimia kanavia pitkin, jolloin ne kohtaavat vähemmän elektroneja kuin kulkiessaan lähellä atomeita, joten elektroninen energianmenetys riippuu ionin reitistä. Tämä riippuvuus voi vaikuttaa siihen, kuinka syvälle ionit tunkeutuvat, heijastuvatko ne takaisin ja kuinka paljon materiaalia ne irrottavat pinnasta. 

Väitöskirjassa yhdistetään kvanttimekaanisia laskuja, atomistisia simulaatioita ja kokeellisia tuloksia, jotta ongelmaa voidaan tarkastella useassa pituus- ja aikaskaalassa. Elektronisia energianmenetyksiä laskettiin vety- ja heliumioneille volframissa ja raudassa eri reittejä pitkin kiteen läpi. Tulokset sisällytettiin reittiriippuvaa energianmenetystä kuvaaviin malleihin, jotka validoitiin kokeellisia tuloksia vasten ja joilla simuloitiin ionien iskeytymistä metallipintoihin. 

Keskeinen havainto on, että reittiriippuvuuden merkitys vaihtelee materiaalien välillä. Deuteriumilla reittiriippuvuuden huomioiminen muuttaa ennustettua volframin eroosiota merkittävästi verrattuna yksinkertaiseen, vain ionin nopeudesta riippuvaan kitkaan, kun taas raudassa vaikutus on paljon pienempi. Nämä tulokset antavat pätevämpiä perusteluita mallien valinnalle plasman ja seinämän vuorovaikutuksen simuloinnissa. 

Tässä työssä kehitetyt menetelmät ja havainnot voivat tukea ionisäteilytyksen mallinnusta myös muilla aloilla, kuten avaruusteknologiassa, lääketieteessä ja materiaalien prosessoinnissa.

Avainsanat: elektroninen jarruuntuminen, säteilyvauriot, fuusioenergia, moniskaalainen mallinnus

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.