Binnen 42 jaar zijn alle bekende oliereserves uitgeput. 17 jaar later zal ook het laatste gas verdwenen zijn. We hebben daarom nood aan een nieuwe en duurzame energiebron, die de wereldwijde honger naar meer brandstoffen duurzaam kan stillen. Hoewel verschillende hernieuwbare energiebronnen momenteel aan terrein winnen, zijn er slechts weinig die een continue stroomaanvoer kunnen verzekeren. Bovendien is de hoeveelheid geproduceerde energie beperkt. Kernfusie biedt een oplossing voor beide problemen. Door in een gecontroleerde omgeving, de zogenaamde tokamakreactor (zie figuur), een fusiereactie op gang te brengen, kan op een milieuvriendelijke manier een quasi onuitputtelijke hoeveelheid vermogen gegenereerd worden.

Een tokamak maakt gebruik van magnetische opsluiting om het hete fusieplasma in toom te houden. Toch loopt de temperatuur van de dichtstbijzijnde reactorcomponenten vaak nog op tot vele honderden graden. De meeste reactorontwerpen zijn daarom gebaseerd op wolfraam. Wolfraam heeft immers een van de hoogste smelttemperaturen van alle metalen en wordt bovendien minimaal geactiveerd onder invloed van de intense neutronenstraling. Helaas is de ductiliteit van wolfraam heel beperkt, wat de verwerking ervan in structurele onderdelen bemoeilijkt. Materiaalwetenschappers bestuderen daarom legeringen van wolfraam met andere elementen, in de hoop dat die de ductiliteit van wolfraam verbeteren met behoud van de hoge smelttemperatuur.

Hoewel al meerdere W-legeringen aan experimentele ductiliteitstesten onderworpen werden (voorlopig zonder veel succes) is de meerderheid van de vele mogelijkheden nog niet onderzocht. Experimentele studies zijn erg tijdsintensief, en de vooruitgang zal dus traag zijn. Een alternatief is over te gaan op atomaire simulaties. De huidige computerkracht laat immers toe om materiaaleigenschappen op de nanoschaal vlot te bepalen. Ook materiaaleigenschappen die van belang zijn in bvb. trekproeven kunnen zo voorspeld worden.

Het doel van deze thesis is om aan de hand van gesimuleerde, microscopische trekproeven (1) informatie sneller te verzamelen dan via labo-trekproeven mogelijk is, en (2) informatie te verkrijgen die meer gedetailleerd is dan experimentele trekproeven kunnen bieden. Meer specifiek zijn we geïnteresseerd in het effect van de korrelgrensstructuur op de treksterkte en de ductiliteit van wolfraamlegeringen. In concrete samples hebben we immers bijna altijd met polykristallijne materialen te maken, maar met behulp van atomaire simulaties kan de treksterkte van een enkele korrelgrens berekend worden. Experimenteel is al gebleken dat wolfraam vaak intergranulair faalt (aan de korrelgrenzen), en dat lijkt vooral het geval te zijn wanneer de verschillende korrels grote hoeken met elkaar vormen. Je eerste taak is dan ook om deze hypothese te onderzoeken aan de hand van zuiver wolfraam. Ook kan je bekijken in hoeverre dit je toelaat om uitspraken te doen over de ductiliteit.

Daarna kan je zelf proberen de ductiliteit van wolfraam te verbeteren, door creatief (maar verstandig) legeringselementen te selecteren en de eigenschappen van de nieuwe legering te simuleren. Misschien kan je zo, door de sterkte aan de korrelgrenzen van wolfraam te verbeteren, het fusieonderzoek een zetje in de goede richting geven.

Dit onderzoek wordt uitgevoerd binnen het Centrum voor Moleculaire Modellering, in samenwerking met de vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen. Voorkennis van kwantumfysische computerpakketten is geen vereiste, geïnteresseerde studenten krijgen de nodige opleiding hieromtrent.

Meer informatie:
Rieth et al., J. Nucl. Mater. 432 (2013), 482-500, http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.08.018
Lazar en Podloucky, Phys. Rev. B 78 (2008), 104114, http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.78.104114