Dapatkah teori dan metode komputasi membantu pencarian bahan pengalih terbaik dan dengan demikian berkontribusi dalam mewujudkan energi fusi?
Menjelajahi fusi nuklir sebagai sumber energi ramah lingkungan menunjukkan adanya kebutuhan penting akan material canggih yang mampu menghadapi plasma. Peneliti laboratorium MARVEL mengidentifikasi material yang mungkin tahan terhadap kondisi ekstrim fusi dan mengusulkan alternatif pengganti tungsten, yang merupakan pilihan saat ini.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Fusi Nuklir dan Tantangan Material
Fusi nuklir menawarkan solusi yang menjanjikan terhadap tantangan energi kita, yang berpotensi menyediakan sumber listrik yang hampir tak terbatas tanpa emisi gas rumah kaca. Namun, kendala teknologi yang signifikan masih ada, terutama terkait bahan yang dibutuhkan untuk reaktor fusi. Reaktor ini mengandalkan bahan yang mampu bertahan dalam kondisi ekstrem plasma antarmuka.
Proyek ITER, sebuah reaktor eksperimental Eropa yang sedang dibangun di Perancis selatan, mencakup komponen penting yang disebut pengalih. Perangkat ini mengekstraksi panas dan abu yang dihasilkan oleh reaksi fusi dan menyalurkan aliran panas dan partikel yang intens dari plasma ke permukaan tertentu untuk pendinginan. Bahan yang menghadap plasma pengalih tidak hanya harus tahan terhadap suhu yang sangat tinggi tetapi juga tahan terhadap rentetan neutron, elektron, ion bermuatan, dan radiasi energi tinggi yang terus menerus.
Untuk ITER, tungsten dipilih sebagai pengalih karena ketahanan panasnya yang luar biasa. Namun, bahan lain, seperti serat karbon dan keramik, telah dipertimbangkan sebelumnya. Pertanyaannya adalah apakah tungsten akan terus menjadi pilihan terbaik untuk reaktor masa depan, karena para peneliti terus mengeksplorasi alternatif yang mungkin lebih tahan terhadap tuntutan unik fusi.
Pendekatan Komputasi Laboratorium MARVEL
Dapatkah teori dan metode komputasi membantu pencarian bahan pengalih terbaik dan dengan demikian berkontribusi dalam mewujudkan fusi? Para ilmuwan di laboratorium MARVEL Nicola Marzari di EPFL memutuskan untuk menjawab pertanyaan tersebut, dan dalam artikel baru di Energi PRXmereka menyajikan metode untuk penyaringan skala besar terhadap bahan-bahan potensial yang berhubungan dengan plasma dan daftar pilihan bahan-bahan yang paling menjanjikan.
Pertama-tama, para ilmuwan harus menemukan cara agar komputasi dapat ditangani. “Simulasi dinamika yang realistis pada antarmuka material plasma memerlukan simulasi perilaku ribuan atom selama beberapa milidetik, yang tidak mungkin dilakukan dengan daya komputasi biasa,” kata Andrea Fedrigucci, mahasiswa PhD di lab THEOS dan peneliti pertama. penulis makalah tersebut. “Jadi kami memutuskan untuk memilih beberapa sifat utama yang harus dimiliki oleh material yang menghadap plasma, dan menggunakannya sebagai indikasi seberapa baik kinerja material tersebut pada pengalih.”
Pertama, para ilmuwan melihat database file Pauling, kumpulan besar struktur kristal anorganik yang diketahui, dan menciptakan alur kerja untuk menemukan struktur yang memiliki ketahanan yang cukup untuk bertahan pada suhu yang ditemukan di dalam reaktor. Hal ini dapat dipahami dengan melihat kapasitas termal, konduktivitas termal, suhu leleh dan kepadatannya. Karena suhu permukaan suatu lapisan material bergantung pada ketebalannya, mereka juga menghitung ketebalan maksimum yang dapat dimiliki setiap material sebelum meleleh dan memberi peringkat pada material tersebut. Dalam kasus material yang informasi ketebalan maksimumnya tidak dapat dihitung, mereka menggunakan metode optimasi Pareto untuk mengurutkannya berdasarkan sifat-sifat yang disebutkan sebelumnya.
Proses Daftar Pendek Dimulai
Hasilnya adalah daftar terpilih pertama dari 71 kandidat. Pada tahap ini, metode yang sangat non-komputasi dan kuno harus digunakan.
“Saya dengan sabar mencari literatur tentang masing-masing bahan tersebut untuk memeriksa apakah bahan tersebut telah diuji dan dibuang, atau apakah ada sifat yang menghalangi penggunaannya dalam reaktor fusi dan tidak ada dalam database, seperti kecenderungan erosi. atau degradasi sifat termalnya akibat pemboman plasma dan neutron.”
Menariknya, bagian dari penelitian ini menyebabkan pembuangan beberapa bahan inovatif sebagai bahan pengalih yang baru-baru ini diusulkan untuk diterapkan dalam reaktor fusi, seperti paduan entropi tinggi.
Seleksi Akhir Bahan yang Menjanjikan
Pada akhirnya, tersisa 21 bahan, yang mana alur kerja DFT diterapkan untuk menghitung dua sifat utama yang harus dimiliki bahan fusi plasma yang baik: energi pengikat permukaan, yang merupakan ukuran seberapa mudahnya mengekstraksi bahan fusi plasma. atom dari permukaan, dan energi pembentukan interstisial hidrogen, yang mengukur proksi kelarutan tritium dalam struktur kristal.
“Jika bahan pengalih terkikis secara berlebihan selama masa operasionalnya, atom-atom yang dilepaskan akan menyebar ke dalam plasma, sehingga menyebabkan penurunan suhunya,” kata Fedrigucci. “Selain itu, jika bahan tersebut reaktif secara kimia dengan tritium, hal ini dapat mengurangi ketersediaan tritium untuk fusi dan menyebabkan akumulasi persediaan tritium yang melebihi batas keamanan yang diberlakukan untuk jenis teknologi ini.”
Pada akhirnya, peringkat akhir berdasarkan semua sifat utama mencakup beberapa dugaan umum yang telah diuji secara ekstensif: tungsten itu sendiri dalam bentuk logam (W) dan karbida (WC dan W2C), intan dan grafit, boron nitrida, dan logam transisi, seperti molibdenum, tantalum, dan renium. Namun ada juga beberapa kejutan, seperti fase aneh tantalum nitrida atau keramik berbasis boron dan nitrogen lainnya, yang belum pernah diuji untuk aplikasi ini.
Di masa depan, kata Fedrigucci, kelompok tersebut berharap dapat memanfaatkan jaringan saraf untuk mensimulasikan dengan lebih baik apa yang sebenarnya terjadi pada material di dalam reaktor, termasuk interaksi dengan neutron yang tidak dapat disimulasikan di sini.
Referensi: “Pemutaran Komprehensif Bahan yang Menghadapi Plasma untuk Fusi Nuklir” oleh Andrea Fedrigucci, Nicola Marzari dan Paolo Ricci, 29 Oktober 2024, Energi PRX.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.3.043002
RakyatPos.ID Network
