Estudio de la segregación del helio la aleación eutéctica plomo-litio y otros metales líquidos para la modelización de la formación de burbujas en mantos reproductores de tritio

En esta tesis se estudia la mezcla de helio con metales líquidos desde un punto de vista atomı́stico-computacional mediante el método de dinámica molecular clásica. El objetivo principal es comprender los mecanismos microscópicos que gobiernan la nucleación del helio en diversos metales líquidos, con énfasis en el eutéctico plomo–litio.

Los resultados obtenidos contribuyen a una mejor comprensión de los procesos en sistemas metal–gas, con aplicaciones en ciencia de materiales e ingeniería nuclear. Estas mezclas son relativamente exóticas y escasamente estudiadas, debido a la dificultad de tratarlas experimentalmente. El trabajo compilado en la tesis ha sido motivado por la necesidad de caracterizar los mantos reproductores de tritio en los futuros reactores nucleares de fusión, basados en la colisión de neutrones libres con átomos de litio presentes en la aleación eutéctica plomo–litio. De esta forma, no solo se producirá tritio, sino que también se liberará helio de forma residual. La conocida baja solubilidad del helio en diversos metales líquidos puede desencadenar la formación de nanoburbujas dentro de los módulos y, por tanto, la comprensión de los procesos microscópicos subyacentes es importante para mejorar la eficiencia, la sostenibilidad y la seguridad del proceso de conversión de energı́a de fusión.

Mediante simulaciones numéricas, se analizaron las interacciones entre los átomos de helio y de metal, así como los mecanismos físicos responsables de la segregación del gas noble. A lo largo de esta Tesis, se investigaron los efectos de la temperatura y de la composición del disolvente. Aunque el foco principal se situó en el sistema eutéctico plomo–litio, el estudio no se limitó a dicha composición. Se analizó la solubilidad del helio en diversos metales alcalinos líquidos y en mezclas con diferentes proporciones de plomo y litio.

Como primera parte de la Tesis, se propusieron modelos de interacción para los metales líquidos y sus mezclas con helio. En la segunda parte de la Tesis se presentaron los estudios de la solubilidad del helio (constantes de Henry) en metales alcalinos y aleaciones de plomo–litio. Finalmente, por completitud y para obtener una mejor representación de las mezclas, se ha considerado incluir el tritio con el fin de predecir los efectos del isótopo del hidrógeno sobre los resultados anteriores.