Doktoritöö uuris volframi sulamite vastupidavust termotuumareaktorites kasutamiseks

Fusiooni käigus muudetakse kõrge temperatuuri ja rõhu juures kerged aatomid (peamiselt vesiniku isotoobid) veidike raskemateks aatomiteks (peamiselt heeliumiks). Selleks, et selline protsess saaks toimida, peab suutma see reaktor taluda väga kõrget temperatuuri selliselt, et see ei hakkaks rikkuma reaktoris toimvaid termotuumareaktsioon.

Kõige perspektiivsemad materjalid reaktori valmistamiseks (või siis siseseina katmiseks) on volfram ja selle sulamid. Volframil on kõrge sulamistemperatuur ja hea soojusjuhtivus. Volframi probleemiks on tema rabedus ja materjali omaduste muutus, kui toimub rekristalliseerumine. Selleks, et mööda pääseda nendest probleemidest, on uuritud kahe-faasilisi sulameid. Mina oma töös uurisin kahte erinevat sulamit: volftam-raud-nikkel ja volfram-kõrgentroopiline sulam. Kahe-faasiline sulam on selline materjal, kus ühe aine (minu töös volframi) terade vahel on teine materjal. Selle mõte seisneb, et teine materjal hakkaks enne sulama kui volfram hakkab rekristalliseeruma. Volfram-kõrgentroopilise sulami korral on teiseks faasiks raua, nikli, kroomi, mangaani ja vase sulam.

Oma töös kiiritasin deuteeriumi (vesiniku isotoop) plasmaga kahe-faasilisi sulameid ja uurisin pinna kahjustuste teket ja arengut. Lisaks võrdlesin ka saadud tulemusi puhta volframi kahjustustega. Pinna kahjustustest uurisin peamiselt pragude teket ning pinna karedust. Üldiselt võib öelda, et pragude teke on seotud sekundaarse materjali ehk teise faasi kogusega antud materjalis, väiksema koguse korral hakkasid praod varem tekkima. Lisaks sõltub ka pragude teke kiiritamise tingimustest, mida karmimad on tingimused, seda rohkem pragusid tekib ja sekundaarse materjali kogus enam ei mõjuta pragude teket. Lisaks võib öelda, et pärast pikka aega kiiritamist on erinevad materjalid sarnaste pragude struktuuriga.

Pinna karedus omab rolli just plasma puhtuse hoidmises. Mida karedam on pind, seda lihtsam on plasmavool teravike tippe sulatada ja plasma puhtus langeb. Üldiselt on kahe-faasilise sulami pinna karedus väiksem kui puhtal volframil, kuid volfram-kõrgentroopilise sulami pinna karedus oli veelgi väiksem. Lisaks tutvustasin oma töös ka uut parameetrit pinna kareduse paremaks hindamiseks.  Viimaseks uurisin ka kui sügavale materjalisse ulatusid praod ning hindasin sulami kõvaduse muutust pinnast all pool. Üldiselt on kahe-faasilised sulamid väga hea vastupidavusega pragude tekkele all pool pinda. Ka siin käitus volfram-kõrgentroopiline sulam paremini kui volfram-raud-nikkel. Kõvaduse muutumise juures vaatasin vähenenud kõvaduse kihti, mis oli mõlema sulami korral väiksem kui puhtal volframil.

Minu töö annab juurde fusiooniga seotud materjalid uuringusse, täpsemalt plasmaga kokkupuutuvate materjalide omaduste parandamisse. Töö uudsus seisneb veel ka selles, et kasutasin kõrgentroopilist sulamit kui sekundaarset sulamit. Varem ei ole selliseid sulameid vaadeldud kui plasmaga kokkupuutuvate materjalidena.

Siim Tõkke loodus- ja terviseteaduste instituudist kaitses oma doktoritöö „Damage generation and development on plasma irradiated dual-phase tungsten materials“ („Kahjustuste teke ja areng plasmakiiritatud kahe faasilistes volfram-materjalides“) 5. veebruaril. Doktoritööd juhendas Tõnu Laas, oponendid olid Tallinna Tehnikaülikooli kaasprofessor tenuuris Fjodor Sergejev ja Tšehhi Teaduste Akadeemia teadur Monika Vilémová.