Polska - Świat nauki

Grafen jako detektor pola magnetycznego w reaktorach termojądrowych

Narodowe Centrum Badań Jądrowych

2022-05-05 11:10:00

W projektach związanych z syntezą termojądrową konieczne jest wykorzystanie materiałów odpornych na wysokie temperatury i uszkodzenia radiacyjne. Obiecujące pod tym względem są materiały bazujące na węglu, zwłaszcza nanorurki węglowe i grafen. W badaniach odporności grafenu na wysokie strumienie neutronów brali udział naukowcy z Zakładu Badań Reaktorowych NCBJ.

Grafen jako detektor pola magnetycznegoGrafen - materiał przemysłu przyszłości

Reaktory termojądrowe, takie jak powstające obecnie w Cadarache we Francji urządzenie badawcze ITER, czy jego następca – DEMO (planowana budowa w Hiszpanii), wykorzystują silne pole magnetyczne do uwięzienia plazmy, podgrzanej do temperatury dziesiątek milionów °C, w której zachodzą reakcje syntezy lekkich jąder atomowych. Aby zapewnić stabilne działanie urządzenia, konieczna jest precyzyjna diagnostyka pola magnetycznego. Działające na elektronikę wysoka temperatura (rzędu kilkuset °C) i silne promieniowanie o wielu składnikach sprawiają, że większość czujników komercyjnych nie jest w stanie pracować w takich układach. Prowadzone są badania nad detektorami metalowymi opartymi np. na chromie czy bizmucie, jednak w ich przypadku problem stanowią niska czułość oraz podatność 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. W pracy, która ukazała się w czasopiśmie Applied Surface Science, po raz pierwszy sprawdzono wpływ prędkich neutronów na układ detektora opartego na grafenie. Strukturę wytworzoną przez Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki funkcjonujący w Sieci Łukasiewicz stanowiły warstwy grafenu na wysyconej atomami wodoru powierzchni węglika krzemu i pokryte warstwą ochronną z Al2O3. Układ został następnie poddany napromienieniu neutronami prędkimi wewnątrz rdzenia reaktora MARIA w NCBJ.

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.

W przypadku badań nad strukturami detekcyjnymi z grafenu, próbki napromienialiśmy przez ponad 120 godzin neutronami prędkimi o fluencji rzędu 1017 cm-2, by oddać warunki, na jakie narażona jest elektronika w instalacjach termojądrowych – dodaje mgr Maciej Ziemba z Zakładu Badań Reaktorowych.

Strukturę i właściwości elektryczne próbek, zarówno przed jak i po napromienianiu, zbadano w Instytucie Fizyki Politechniki Poznańskiej. Wykorzystano do tego spektroskopię Ramana, badania efektu Halla oraz modelowanie z użyciem teorii funkcjonału gęstości. Charakteryzację przeprowadzano po wygrzewaniu w temperaturach od 100 do 350°C. Dzięki temu wykryto na przykład, że w materiale pojawia się zależność właściwości elektrycznych od temperatury, która nie występowała przed umieszczeniem próbek w strumieniu neutronów.

Na podstawie badań oceniono odporność grafenu na promieniowanie neutronowe jako bardzo dobrą. Wykryta gęstość uszkodzeń radiacyjnych potwierdziła dość niski przekrój czynny grafenu na oddziaływanie z neutronami prędkimi. Mimo uszkodzeń, czułość układu z grafenem na pole magnetyczne pozostaje kilka rzędów wielkości większa, niż w odpowiednikach bazujących na metalach. Dodatkowo, duża część uszkodzeń była związana nie z samymi warstwami grafenu, a z warstwą wodoru, która przy temperaturach, jakie będą panować w instalacjach takich jak DEMO, wykazuje wręcz pewien potencjał samo-naprawczy. Grafenowe detektory pola magnetycznego mogą więc stanowić obiecujące struktury do wykorzystania w reaktorach termojądrowych, w związku z czym prowadzone będą nad nimi dalsze badania.

ip

Piotr Spinalski, Marek Pawłowski

fot. Materiały Prasowe

http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0169433222005608-ga1_lrg.jpg

Słowa kluczowe: grafen, pole magnetyczne, narodowe centrum badań jądrowych
Komentarze
Redakcja dlaStudenta.pl nie ponosi odpowiedzialności za wypowiedzi Internautów opublikowane na stronach serwisu oraz zastrzega sobie prawo do redagowania, skracania bądź usuwania komentarzy zawierających treści zabronione przez prawo, uznawane za obraźliwie lub naruszające zasady współżycia społecznego.
Zobacz także
Grafen jako detektor pola magnetycznego w reaktorach termojądrowych

O rewolucyjnym materiale i jego szerokim zastosowaniu.

Naukowcy alarmują: 3/4 polskich lasów zniknie

Dbajmy o Ziemię poprzez codzienne wybory.

Akademia Kopernikańska - list otwarty Rady Narodowego Centrum Nauki

Krytycznie o pomyśle Kancelarii Prezydenta i Ministerstwa Edukacji i Nauki.

Polecamy
Czym jest dokładnie najwyÅźszy tytuł naukowy?
Jak zostać profesorem?

Czym jest dokładnie najwyższy tytuł naukowy?

Kobiety w nauce - polskie uczelnie wysoko w światowym rankingu!

Uczelnie z Gdańska, Lublina i Poznania wyróżnione przez ogólnoświatową społeczność naukową.

Ostatnio dodane
Grafen jako detektor pola magnetycznego w reaktorach termojądrowych

O rewolucyjnym materiale i jego szerokim zastosowaniu.

Naukowcy alarmują: 3/4 polskich lasów zniknie

Dbajmy o Ziemię poprzez codzienne wybory.

Popularne
Zobacz, jak złoÅźyć podanie i zrezygnować ze studiÃłw!
Jak zrezygnować ze studiów? - Wzór podania i skreślenie z listy studentów

Zobacz, jak złożyć podanie i zrezygnować ze studiów!

Wzór umowy najmu
Wzór umowy najmu

Zobacz wzór umowy najmu! Wystarczy uzupełnić dane i gotowe!

Oto 28 najlepszych kierunków studiów w Polsce!
Oto 28 najlepszych kierunków studiów w Polsce!

Najlepsze kierunki studiów realizowane na uczelniach w całej Polsce zostały wyłonione do specjalnego dofinansowania z nowej dotacji projakościowej.