Efectos de la radiación en materiales cerámicos para fusiónla luminiscencia como herramienta de caracterización y diagnóstico

Resumen

Materiales cerámicos tales como Al2O3 y SiC, por su elevada resistencia a la radiación y a las altas temperaturas, se emplearán en los futuros reactores de fusión desempeñando diversas funciones, entre las que destaca la de aislante eléctrico en el caso de la alúmina. El SiC se propone tanto como material estructural como funcional en aplicaciones en el blanket. Ambos materiales, además de ver afectadas sus propiedades, emiten luz bajo un campo de radiación. Esta luminiscencia proporciona información sobre la red del sólido y sus defectos, tanto los presentes inicialmente como aquellos producidos por la radiación. El objetivo de la tesis doctoral se centra, por una parte, en la obtención de información relevante en cuanto al comportamiento durante irradiación de materiales propuestos para uso en aplicaciones en fusión, que permita el establecimiento de los límites y capacidades reales de éstos en un entorno hostil. Por otro, la demostración de la utilidad de la luminiscencia como herramienta no destructiva de caracterización de materiales y, en el caso de la alúmina de la existencia de una correlación entre la modificación de la conductividad eléctrica y de las bandas luminiscentes con tiempo de irradiación, dando así los primeros pasos en el desarrollo de la luminiscencia como método de control del daño por radiación.En los últimos años, y dentro del departamento de Materiales para Fusión del Ciemat, la actividad del laboratorio del acelerador de electrones `Van de Graaff¿ ha estado dirigida al estudio de propiedades ópticas y eléctricas de materiales aislantes durante irradiación. Con electrones de 2 MeV y tasas de dosis de hasta ~10 kGy/s, 10-8 dpa/s es posible emular el efecto de la ionización y desplazamiento en el volumen, mientras que para el estudio de efectos superficiales se dispone de un implantador de iones de 60 kV. En ambas instalaciones se han desarrollado sistemas de medida de radio e ionoluminiscencia respectivamente, con lo que es posible la realización de estudios paralelos de luminiscencia y conductividad eléctrica durante irradiación.En este trabajo se han estudiado los efectos de la radiación en la conductividad eléctrica de estos materiales, una de las propiedades más importantes para su uso en fusión. Para el carburo de silicio, se ha examinado la posible degradación eléctrica en volumen inducida por irradiación con electrones de 2 MeV en cuatro tipos diferentes de material. La principal característica de los experimentos llevados a cabo es la posibilidad de realizar medidas durante irradiación, lo que proporciona información sobre el comportamiento real del material durante irradiación. El carburo de silicio presenta muy diferentes propiedades en función del politipo, o del método y condiciones de fabricación. Debido a los diferentes resultados obtenidos para cada tipo de SiC, no ha sido posible establecer un modelo de daño a partir de los datos. Sin embargo, se ha mostrado que, a unas dosis y temperaturas relativamente bajas pueden tener lugar tanto cambios en la conductividad eléctrica en volumen como procesos de amorfización que podrían afectar al funcionamiento de elementos basados en carburo de silicio.En alúmina, las medidas de conductividad eléctrica superficial e ionoluminiscencia muestran la importancia de los procesos de agregación de vacantes y formación de coloides de aluminio en las diferentes etapas identificadas en la degradación eléctrica por bombardeo con iones ligeros.Los resultados obtenidos para SiC y Al2O3 muestran significativamente el potencial de la luminiscencia para uso como herramienta de caracterización de materiales y como sistema para el control del daño durante radiación.