Estudio mediante dinámica molecular del efecto de la radiación e isótopos de H en diamante para su aplicación en fusión

Abstract

Las recientes mejoras en la síntesis de Diamante artificial han logrado cristales de mayor tamaño, propiedades optimizadas. Con ello, los cristales sintéticos de Diamante, pasan a ser una alternativa seria en aplicaciones de Fusión Nuclear. Algunas de las propiedades deseables para dichas aplicaciones son especialmente notables en Diamante, su conductividad térmica o su amplio rango de transparencia electromagnética. Sin embargo, el conocimiento acumulado acerca de su comportamiento bajo radiación, o más concretamente bajo las condiciones radiativas de Fusión, es todavía limitado. En aplicaciones de Fusión nuclear, es imprescindible conocer el efecto de la radiación neutrónica y la interacción del material con Hidrógeno, sus isótopos y otros elementos ligeros propios de los plasmas de Fusión. No nos consta una bibliografía extensa acerca del daño por radiación en Diamante, existen estudios poco concluyentes acerca de la energía umbral de desplazamiento, se ha estudiado la grafitización o amorfización, pero no se han encontrado trabajos previos a esta tesis en cascadas de desplazamientos y, como veremos, apenas unos pocos trabajos utilizan la técnica de la Dinámica Molecular en estudios de daño por radiación en este material. La interacción del Hidrógeno en la red de Diamante sí ha sido extensamente estudiada, se conocen multitud de líneas de absorción relacionadas con su presencia, se ha estudiado su difusión mediante técnicas experimentales y existen descripciones atomísticas de los sitios de equilibrio en la red de Diamante, aislado o formando parte de agregados. La presente tesis se dedica al estudio numérico de este material. El trabajo se estructura bajo en torno a la potencial aplicación del diamante en la tecnología de Fusión nuclear. Los principales conceptos físicos y tecnológicos acerca de este campo son introducidos en el primer capítulo. Seguidos de una discusión acerca de los retos a los que se enfrenta la ciencia de materiales en este campo, y los recursos que cuenta para ello. El capítulo 4 revisa las distintas variedades de diamante, estructura y propiedades de interés y el conocimiento acumulado acerca del daño por radiación. El capítulo 5 revisa la técnica computacional empleada, la Dinámica Molecular. A partir de éste punto empiezan a presentarse los resultados. El capítulo 6 describe las configuraciones de equilibrio halladas, energías relativas y caracterización vibracional. Incluyendo el desplazamiento isotópico con H, D y T. También con isótopos del C en uno de ellos. El capítulo se completa con agregados de 2 y 3 H, y hasta 4 H en torno a vacantes. Obteniendo datos de interés. Esta parte se completa con un estudio de migración local del H en torno a una configuración estable, con resultados novedosos. Finalmente, los capítulos 8 y 9 están dedicados al daño por radiación, en primer lugar se completa un estudio estadístico de la energía umbral de desplazamiento, tanto en direcciones cristalográficas exactas como intermedias, incluyendo estados de daño y rangos alcanzados. Se propone una energía umbral promedio. A continuación, en el capítulo 9, se completa un estudio numérico de cascadas de desplazamientos en Diamante, bajo la perspectiva de trabajar con un material covalente y en un rango de energías razonable. Se presentan las principales magnitudes relativas a estos eventos. Sin embargo, la práctica ausencia de trabajos análogos al nuestro dificulta una comparación más completa de resultados. El capítulo 10 detalla logros y conclusiones y, adicionalmente, se adjuntan dos apéndices, uno de ellos un cálculo de osciladores armónicos que demuestra la obtención de modos de vibración locales y el segundo de ellos, donde se lleva aquí el grueso de la deducción tanto de la relación de Einstein para la difusión como del modelo de Kramers, ambos empleados en el capítulo 7.