Grafen wykryje pole magnetyczne w reaktorach termojądrowych
Grafen jest na tyle odporny na gorąco i promieniowanie, że można formować z niego czujniki pola magnetycznego niezbędne do prawidłowego działania reaktorów termojądrowych, co sprawdzili naukowcy m.in. z polskich ośrodków.
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.
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.
Źródło: PAP - Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk
