First principles study of Tritium-doped Lithium-Lead liquid alloy: structure and diffusion

Abstract

In this article, we will discuss the behaviour of the atoms that constitute the blanket part of TOKAMAK fusion reactors breeder, through of Ab initio molecular dynamics simulations. One of the proposed materials to constitute this blanket is the eutectic LiPb liquid alloy. In our simulations, we considered a system formed by Lithium and Lead and we have also included Tritium atoms to perform a more accurate modelling. Representing the system by four different thermodynamic conditions, varying the amount of Tritium dissolved and the density (or pressure) we were able to compare and carry out a wide study about the properties of the system. In the first place, we studied the statical magnitudes of the three-component liquid. We were able to appreciate the formation of Tritium molecules, so it was necessary to change the analysis of our system to that of a four-component liquid (Li, Pb T atoms and T2 molecules). We considered the atomic organization of the system by studying the way that the different components are distributed around each type of atom/molecule. After that, we also worked on the dynamical magnitudes, obtaining the diffusion coefficient of the different atoms and also their vibrational frequencies. In the particular case of the T atoms, we could verify that the vibration frequency of the T2 molecule provides an appreciable signal to the spectrum, and how their interaction with Li atoms modifies these frequencies.

En este artículo se van a emplear simulaciones Ab inito de dinámica molecular para estudiar el comportamiento de los átomos que constituyen la parte del "blanket" en los reactores de fusión tipo TOKAMAK, que cumple la función de "breeder". Puesto que uno de los principales materiales propuestos para constituir el blanket se trata de la aleación liquida de LiPb en su punto eutéctico, en nuestra simulación se ha considerado un conjunto de átomos formado por litio, plomo y también tritio, para de esta manera conseguir un modelado más preciso. Variando las propiedades termodinámicas de presión y número de tritios en el sistema, se ha conseguido realizar un amplio estudio de las propiedades del sistema a través de cuatro simulaciones con diferentes condiciones. En primer lugar se estudiaron las propiedades estáticas del sistema, a través de las cuales se dedujo que en el interior de la simulación se formaban moléculas de tritio. Este descubrimiento hizo necesario cambiar la organización de la simulación y pasó a tratarse como un sistema de cuatro componentes (Li, Pb, átomos de T y moléculas de T). Estudiando como se distribuían las diferentes componentes unas con otras mediante funciones de densidad radial pudimos estudiar la organización estructural del sistema. Una vez hecho esto, pasamos a analizar las variables dinámicas de las simulaciones, obteniendo los valores de los diferentes coeficientes de difusión y de las frecuencias de vibración de los átomos. En el caso particular de los átomos de tritio, se pudo observar cómo en el espectro de las frecuencias de vibración aparece modificado por la aparición de un leve pico de frecuencias de vibración moleculares.