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Il tungsteno protegge i reattori a fusione, ma c’è un problema
Un gruppo di ricercatori della University of Helsinki ha realizzato simulazioni atomistiche su una scala senza precedenti, scoprendo che il tungsteno potrebbe subire più danni da radiazione di quanto previsto dai modelli correnti. Il risultato riguarda le energie estreme attese nei futuri impianti per la fusione nucleare e potrebbe modificare le stime sulla durata dei componenti esposti al plasma.
All'interno di un reattore, i nuclei leggeri vengono fusi a temperature elevatissime, mentre materiali come il tungsteno devono schermare e sostenere parti della struttura. I neutroni prodotti dalle reazioni possono colpire un atomo e strapparlo dalla sua posizione nel reticolo cristallino. L'atomo spostato urta quelli vicini, generando una cascata di collisioni definita danno primario da radiazione.
Nello studio pubblicato su Physical Review Letters, il gruppo ha ricostruito queste cascate attraverso la dinamica molecolare, concentrandosi sul tungsteno, uno dei materiali più promettenti per le superfici sottoposte alle condizioni interne del reattore. Le simulazioni hanno raggiunto il traguardo di un miliardo di atomi rappresentati contemporaneamente, permettendo di seguire eventi che i calcoli precedenti non riuscivano a descrivere con lo stesso livello di dettaglio.
I modelli tradizionali per i metalli prevedono che il numero di difetti aumenti prima in modo sublineare rispetto all'energia dell'atomo in rinculo e poi in modo lineare. I ricercatori hanno invece individuato quattro regimi complessivi: nel tungsteno emerge anche una fase di crescita superlineare, durante la quale il numero di difetti aumenta più rapidamente dell'energia. Alle condizioni più estreme, il comportamento torna infine lineare.
Per rendere possibili calcoli tanto estesi, il team ha adattato alle GPU un modello di machine learning capace di riprodurre le interazioni tra gli atomi. La stessa ricerca sui materiali procede insieme allo sviluppo di strumenti diagnostici, tra cui sensori al grafene per monitorare i futuri reattori a fusione. In entrambi i casi, l'obiettivo è comprendere un ambiente nel quale osservazioni dirette e sperimentazioni prolungate rimangono difficili.
Il nuovo andamento suggerisce che le componenti dei reattori potrebbero deteriorarsi più velocemente rispetto ad alcune previsioni attuali. Il modello ricavato dalle simulazioni potrà essere integrato in calcoli su tempi più lunghi, contribuendo a stimare la vita operativa delle parti in tungsteno e a progettare strutture più robuste. Il risultato non implica, però, che il materiale debba essere abbandonato.
La ricerca descrive soltanto il danno iniziale prodotto dal rinculo di un singolo atomo. In un impianto reale, il materiale riceverebbe dosi ripetute per periodi prolungati, con fenomeni che si sviluppano su scale molto maggiori. Il gruppo intende quindi aumentare accuratezza, dimensioni e dose delle simulazioni, studiando anche la microstruttura del materiale, inclusi bordi di grano, dimensioni dei cristalli ed elementi di lega.
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