SiC per applicazioni nucleari : esplorazione del comportamento in plasmi da impulsi laser a ns e fs

Nuclear fusion in an important energy source, yet it still has a meaningful technological problems. Among them, an adequate lifetime of structural components directly facing the plasma (PFCs) is a crucial issue. Such components must tolerate high thermal loads, high chemical erosion and energetic particles bombardment. The involved materials should display good thermal and mechanical resistance, low sputtering yield, low activation, low tritium permeability. The goal of this Thesis project is to study the behavior of Silicon Carbide (SiC) in laser generated plasmas, to get an initial experimental evaluation of the possibility to adopt SiC as a PFC material. Specifically, our analysis was centered on the micro-structural evolution of SiC films in different plasmas, generated by ns and fs laser pulses respectively, corresponding to deposited intensities between 1012 MW m-2 and 1016 MW m-2. We designed and deposited by pulsed laser ablation SiC films polycrystalline, homogeneous, and compact. Such films, after irradiation with ns and fs laser pulses were analyzed with vibrational spectroscopies and microscopies, both optical and electron. All irradiations induce meaningful surface morphology changes, differing for the two kinds of pulses. Yet, the material is never removed from the substrate, showing thermal and mechanical stability. Beside this, all films keep unaltered their basic nano-structural features (polycrystallinity) as deduced by IR spectroscopy and TEM. EDX analysis in the SEM confirmed that film stoichiometry was maintained throughout the irradiations. In conclusion our study, although preliminary, appears promising because SiC has a meaningful thermal and mechanical resistance in highly energetic, aggressive plasma ambient.

La fusione nucleare è una delle più significative sorgenti di energia conosciute. Dal punto di vista tecnologico essa presenta alcuni problemi irrisolti. Tra questi è fondamentale garantire un adeguato tempo di vita dei componenti strutturali che si affacciano direttamente sul plasma presente in reattore (Plasma Facing Components, PFC) che vengono sottoposti ad alti carichi termici, ad alta erosione chimica ed al bombardamento da particelle energetiche. Tali materiali devono avere buona resistenza meccanica e termica, bassa resa di erosione, bassa attivazione e bassa permeabilità al trizio. Obiettivo di questo lavoro di tesi è lo studio del comportamento del carburo di silicio (SiC) sotto irraggiamento laser per ottenere un’iniziale realistica valutazione sperimentale sulla possibilità di utilizzo di SiC come materiale per PFC. In particolare l’analisi è stata indirizzata all’evoluzione microstrutturale di SiC sottoposto ad un plasma generato da impulsi laser a ns e a fs per verificare il mantenimento della stechiometria dopo irraggiamento e l’evoluzione delle caratteristiche microstrutturali. Con questa strategia è possibile studiare l’effetto su SiC di densità di potenza cumulative comprese nell’intervallo fra 1012 MW m-2 e 1016 MW m-2. A tale scopo, abbiamo progettato e depositato con la tecnica di deposizione a laser pulsato (PLD) film di SiC policristallini, omogenei e compatti. Su tali film, irraggiati, abbiamo effettuato misure di spettroscopia IR e Raman e di miscroscopia elettronica a scansione (SEM) e in trasmissione (TEM). Gli irraggiamenti, con laser sia a ns, sia a fs, inducono modificazioni di morfologia superficiale significative, ma differenti nei due casi, del materiale. Peraltro i film non vengono rimossi dal substrato, dimostrando stabilità meccanica e termica; inoltre essi mantengono immutate le loro caratteristiche nanostrutturali essenziali (policristallinità), come dedotte da spettroscopia IR e microscopia TEM. Le analisi EDX confermano la stechiometria del materiale. Questo studio, ancorchè iniziale, appare promettente, poiché SiC presenta una significativa resistenza termica e meccanica in plasmi aggressivi, altamente energetici.