Production of nanostructured films for nuclear applications using advanced deposition techniques

Thin film science plays a crucial role in different scientific and industrial sectors. Focusing on nuclear engineering, nanostructured coatings and thin films are regularly exploited, considering both energy and non-energy applications. Furthermore, this technology is of interest for a wide number of fields which are still closely related to research such as the development of unconventional particle accelerators, the study of nuclear reactions or the design of innovative nuclear power reactors. With regard to the first two topics, thin films are worth of consideration for the production of suitable targets which, in both cases, represent a key component. For instance, concerning laser-driven particle sources, several kinds of engineered targets have been proposed. Among these, Double Layer Targets, constituted by a solid film and an additional low density material layer, are an appealing option since they allow enhancing laser-matter interaction. On the other hand, thin films are ideal targets to be used in experimental set-ups aimed to study interesting nuclear reactions such as the proton-boron-11 which, potentially, could be exploited for several applications. Moreover, thin film science is a valuable tool to develop next-generation nuclear energy systems involving the use of liquid metals. Indeed, considering both magnetic confinement fusion and fission, the interaction between structural materials and liquid metals must be controlled and, in this respect, the deposition of protective coatings constitutes a promising solution. Given the above considerations, the development of properly tailored films and their integration in the system under investigation emerge as crucial research activities. Therefore, relying on a comprehensive approach benefiting from both nuclear engineering and materials science knowledges, the general aim of this thesis work focuses on the design, production and characterization of nanostructured thin films and coatings for the previously mentioned nuclear applications. In this context, the Physical Vapour Deposition (PVD) family, in which film growth occurs as a result of atoms condensation and nucleation onto a substrate, is noteworthy. Specifically, in addition to established methods, the use of advanced PVD processes could be advantageous since they allow improving the quality of deposited films. Exploiting these techniques, film growth is studied through a material science approach which paves the way to the realization of films with suitable properties for laser-driven particles sources, nuclear physics experiments and next-generation nuclear energy systems.

La scienza dei film sottili riveste un ruolo cruciale in diversi settori scientifici e industriali. Per quanto riguarda l'ingegneria nucleare, coating e film sottili nanostrutturati sono regolarmente impiegati in applicazioni relative ad ambiti sia energetici sia non energetici. Inoltre, questa tecnologia è di interesse per numerose tematiche ancora oggetto di ricerca come lo sviluppo acceleratori di particelle non convenzionali, lo studio di reazioni nucleari o la progettazione di reattori nucleari innovativi. Relativamente ai primi due argomenti, i film sottili sono degni di nota per produrre bersagli appropriati che, in entrambi i casi, rappresentano una componente fondamentale. Ad esempio, per realizzare sorgenti di particelle da laser, sono state proposte diverse tipologie di bersagli ingegnerizzati. In particolare, i cosiddetti Double Layer Targets, costituiti da un film solido a cui è aggiunto uno strato di materiale a bassa densità, sono un'opzione promettente visto che migliorano l'interazione laser-materia. D'altro canto, i film sottili sono bersagli ideali da utilizzare in allestimenti sperimentali che hanno l'obiettivo di studiare reazioni come la protone-boro-11 che potrebbe essere sfruttata in futuro per diverse applicazioni. Inoltre, la scienza dei film sottili è uno strumento importante per lo sviluppo di nuovi reattori nucleari che prevedono l'utilizzo di metalli liquidi. Infatti, considerando sia la fusione a confinamento magnetico sia la fissione, l'interazione tra i materiali strutturali e i metalli liquidi deve essere controllata e, a questo proposito, la deposizione di coating protettivi rappresenta una soluzione interessante. Sulla base delle osservazioni precedenti, lo sviluppo di film con proprietà su misura e la loro integrazione nel sistema di interesse emergono come attività di ricerca fondamentali. Dunque, considerando un approccio sinergico che benefici di conoscenze sia di ingegneria nucleare sia di scienza dei materiali, lo scopo generale di questo lavoro di tesi è l'ingegnerizzazione, produzione e caratterizzazione di film sottili e coating nanostrutturati per le applicazioni nucleari precedentemente menzionate. In tale contesto, vale la pena considerare la Deposizione Fisica da Vapore o Physical Vapour Deposition (PVD), in cui la crescita del film avviene come conseguenza della condensazione di atomi e successiva nucleazione su un substrato. In particolare, in aggiunta a metodi consolidati, l'utilizzo di processi PVD avanzati potrebbe essere vantaggioso in quanto permettono di migliorare la qualità dei film depositati. Dunque, utilizzando queste tecniche, la crescita dei film è studiata mediante un approccio di scienza dei materiali che porta alla realizzazione di film con proprietà adatte per l'accelerazione di particelle da laser, esperimenti di fisica nucleare e la prossima generazione di reattori nucleari.