Study of aluminum oxide coatings and lithium aluminate formation in breeding blankets-relevant conditions

Future generation nuclear fusion-based power plants are currently under investigation, research and development all around the world. Due to the harsh operative conditions of such power plants, materials are proving to be one of the main issues. Particularly critical environments will be present in the Breeding Blanket, a fundamental component that will be located around the main chamber where fusion reactions take place. It will serve three main functions: shielding the outside of the reactor from the radiation, providing the heat extraction necessary for electricity generation and producing tritium, a key component of the fuel for the reaction that is absent in nature. Various blanket designs employ the flowing liquid eutectic alloy Pb-16Li at around 550°C. The materials should therefore resist to corrosion and dissolution in a high temperature heavy liquid metal, to radiation-induced structural changes and, most importantly, to the diffusion and permeation of tritium. Traditional structural steel materials employed in the nuclear technology are however unsuitable to tackle these critical conditions, therefore calling for the need of alternative solutions. The deposition of protective coatings has recently been proposed and investigated. Especially metal oxides ceramic coatings such as aluminum oxide deposited by Pulsed Laser Deposition (PLD) have shown good results in terms of corrosion resistance, chemical inertness, gaseous permeation reduction and mechanical properties (compact structure, wear resistance, hardness and plastic resources under deformation). In the framework of the present dissertation, an analysis of PLD-Al2O3 films deposited and tested in previous years (gen-1 in 2015 and gen-2 in 2017) was carried out in the first part, optimizing parameters and procedures of the PLD process. By doing so, a third generation of coatings has been produced and tested in terms of lead-lithium compatibility and gaseous permeation reduction, providing successful results. The second part was instead dedicated to the formation of lithium aluminate on alumina, an issue that has been observed in literature for different materials and conditions but not sufficiently studied yet, and to the investigation of its properties. Lithium aluminate films were also produced by PLD as a model-material for comparisons, for thermal stability and cristallographic analyses, and for nanoindentation mechanical tests. In addition to this, theoretical estimations were eventually proposed about lithium penetration and transmutation to tritium into the coating.

Le centrali elettriche a fusione nucleare di futura generazione sono attualmente oggetto di indagine, ricerca e sviluppo in tutto il mondo. A causa delle severe condizioni operative di tali impianti di potenza, i materiali stanno dimostrando di essere uno dei problemi principali. Ambienti particolarmente critici saranno presenti nel Breeding Blanket, un componente fondamentale che si troverà intorno alla camera principale in cui avvengono le reazioni di fusione. Il breeding blanket avrà tre funzioni principali: proteggere l’esterno del reattore dalle radiazioni, fornire l'estrazione del calore necessaria per la generazione di energia elettrica e produrre trizio, elemento chiave del combustibile per la reazione di fusione, che è assente in natura. Vari modelli di breeding blanket impiegano la lega eutettica fluente Pb-16Li a circa 550 ° C. I materiali dovranno quindi resistere alla corrosione e alla dissoluzione in un metallo liquido ad alta temperatura, ai cambiamenti strutturali indotti dalle radiazioni e, soprattutto, alla diffusione e alla permeazione del trizio. I materiali strutturali tradizionali in acciaio impiegati in ambito nucleare sono tuttavia inadatti ad affrontare queste condizioni critiche, e necessitano pertanto soluzioni alternative. La deposizione di rivestimenti protettivi è stata recentemente proposta e indagata. In particolare, rivestimenti ceramici di ossidi metallici come l’ossido di alluminio (Al2O3) depositato tramite tecnica di deposizione a laser pulsato (PLD) ha mostrato buoni risultati in termini di resistenza alla corrosione, inerzia chimica, riduzione della permeazione gassosa e proprietà meccaniche (struttura compatta, resistenza all’usura, durezza e riserva plastica sotto deformazione). Nell'ambito della presente tesi, un’analisi dei rivestimenti di Al2O3 depositati e testati negli anni precedenti (gen-1 nel 2015 e gen-2 nel 2017) è stata effettuata nella prima parte, ottimizzando parametri e procedure del processo PLD. In questo modo, una terza generazione di rivestimenti è stata prodotta e testata in termini di compatibilità con piombo-litio e riduzione della permeazione gassosa, fornendo risultati positivi. La seconda parte della tesi è invece dedicata alla formazione di alluminato di litio su allumina, un problema che è stato osservato in letteratura per diversi materiali e condizioni, ma non ancora sufficientemente studiato, e allo studio delle sue proprietà. Rivestimenti di alluminato di litio sono stati prodotti anche tramite PLD come materiale-modello per confronti, per analisi cristallografiche e di stabilità termica e per prove meccaniche di nanoindentazione. Oltre a ciò, sono state infine proposte stime teoriche sulla penetrazione del litio e sulla sua trasmutazione in trizio nel rivestimento.