Helium nucleation in liquid alkali metals and lead-lithium alloys

(English) In this thesis, the mixing of helium with liquid metals is studied from atomistic and computational perspectives using classical molecular dynamics methods. The main objective is to understand the microscopic mechanisms governing helium nucleation in various liquid metals, with particular emphasis on the lead--lithium eutectic. The obtained results contribute to a better understanding of processes occurring in metal--gas systems, with applications in materials science and nuclear engineering. These mixtures are relatively exotic and have been scarcely studied due to the experimental difficulties associated with handling them. The work compiled in this thesis was motivated by the need to characterize tritium breeding blankets in future nuclear fusion reactors, where free neutrons interact with lithium atoms present in the lead--lithium eutectic alloy. In this process, not only is tritium produced, but helium is also released as a by-product. The reportedly low solubility of helium in various liquid metals suggests a strong tendency towards nanobubble formation within breeder modules. Consequently, understanding the underlying microscopic mechanisms governing helium dissolution, transport, and aggregation is essential for improving the efficiency, reliability, safety, and long-term sustainability of fusion energy conversion systems. Interactions between helium and metal atoms, as well as the physical mechanisms governing noble-gas segregation, were analysed through numerical simulations. Throughout this thesis, the effects induced by thermodynamic conditions (temperature and solvent composition) were investigated. Although the main focus was placed on the lead--lithium eutectic system, the study was not restricted to this composition: various lead/lithium ratios and other pure liquid alkali solvents were also investigated. In the first part of the thesis, interaction models for liquid metals and their mixtures with helium were proposed. At this stage, the effects of tritium on the nucleation process were neglected as a first approximation. Force fields describing all interactions within the mixtures were adapted from interatomic potentials available in the literature. The liquid-metal models incorporated the effective contribution of electron clouds, and the evaluation of thermodynamic, structural, and volumetric properties was used to assess their performance. Additionally, helium was treated, as a second approximation, without explicit electronic contributions. We successfully reproduced many thermophysical properties, thereby partially validating the proposed model. Consequently, the resulting force fields relied on the assumed transferability of interatomic potentials to the thermodynamic conditions investigated in this work. In the second part of the thesis, the most innovative studies are presented. These correspond to the analysis of helium solubilities (Henry’s law constants) in alkali metals and lead--lithium alloys, as well as interfacial tensions and pressure inhomogeneities at their dividing surfaces. Under the assumption that these processes are governed by classical nucleation theory, these two sets of studies allow the determination of the volumetric and interfacial contributions involved in the work of bubble formation. The former is determined by the degree of supersaturation in a mixture in which helium is initially dissolved and is intrinsically linked to solubility. The latter is proportional to the area of the dividing surface, with interfacial tension acting as a multiplicative factor. Finally, for completeness and to obtain a more accurate representation of the mixtures, tritium was included through potential models developed in this work in order to predict the effects of the hydrogen isotope on the previous results. (Català) En aquesta tesi s’estudia la barreja d’heli amb metalls líquids mitjançant el mètode de dinàmica molecular clàssica. L’objectiu principal és comprendre els mecanismes microscòpics que governen la nucleació de l’heli en diversos metalls líquids, amb èmfasi en l’eutèctic de plom--liti. Els resultats obtinguts contribueixen a una millor comprensió dels processos en sistemes metall--gas, amb aplicacions en ciència de materials i enginyeria nuclear. Aquestes mescles són relativament exòtiques i escassament estudiades, a causa de la dificultat de tractar-les experimentalment. El treball compilat en aquesta tesi respon a la necessitat de caracteritzar les mantes reproductores de triti dels futurs reactors de fusió, basades en la col·lisió de neutrons lliures amb àtoms de liti presents en l’aliatge eutèctic de plom--liti. Aquest procés produeix triti i allibera heli com a subproducte. La coneguda baixa solubilitat de l’heli en diversos metalls líquids suggereix una forta tendència a la formació de nanobombolles dins dels mòduls reproductors. Per tant, comprendre aquests mecanismes és essencial per millorar l’eficiència i la seguretat dels sistemes de fusió. Mitjançant simulacions numèriques, es van analitzar les interaccions entre els àtoms d’heli i de metall, així com els mecanismes físics responsables de la segregació del gas noble. Al llarg d’aquesta tesi, es van investigar els efectes de les condicions termodinàmiques, és a dir, de la temperatura i de la composició del dissolvent. Tot i que el focus principal es va situar en el sistema eutèctic plom--liti, l’estudi no es va limitar a aquesta composició. Es van estudiar diverses proporcions de plom i liti, així com altres metalls alcalins líquids purs. En la primera part de la tesi, es van proposar models d’interacció per als metalls líquids i les seves mescles amb heli. En aquesta etapa, com a primera aproximació, es van negligir els efectes del triti durant el procés de nucleació. Els camps de forces que descriuen totes les interaccions dins de les mescles es van adaptar a partir de potencials interatòmics disponibles en la literatura. Els models de metall líquid incorporaven la contribució efectiva dels núvols electrònics, i el seu rendiment es va avaluar mitjançant l’estudi de propietats termodinàmiques, estructurals i volumètriques. Com a segona aproximació, l’heli es va tractar sense contribucions electròniques explícites. Diverses propietats termofísiques es van reproduir satisfactòriament, proporcionant així una validació parcial del model proposat. En conseqüència, els camps de forces resultants es basaven en la hipòtesi de transferibilitat dels potencials interatòmics a les condicions termodinàmiques investigades en aquest treball. En la segona part de la tesi, es van presentar els estudis més innovadors. Aquests corresponen a l’estudi de la solubilitat de l’heli (constants de Henry) en metalls alcalins i aliatges de plom--liti, així com de la tensió interfacial i les inhomogeneïtats de pressió entre fases. Sota la hipòtesi que aquests processos estan governats per la teoria clàssica de la nucleació, aquests estudis permeten determinar les contribucions volumètrica i interfacial a la formació de bombolles. La primera està determinada pel grau de sobresaturació d’una mescla en què l’heli es troba inicialment dissolt i està intrínsecament lligada a la solubilitat. La segona és proporcional a l’àrea de la superfície divisòria, amb la tensió interfacial actuant com a factor multiplicatiu. Finalment, per obtenir una representació més acurada de les mescles, es va incloure el triti mitjançant models de potencial desenvolupats en aquest treball, amb l’objectiu de predir els efectes de l’isòtop de l’hidrogen sobre els resultats anteriors. (Español) En esta tesis se estudia la mezcla de helio con metales líquidos desde un punto de vista atomístico y 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 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, sostenibilidad y seguridad del proceso de conversión de energía 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 esta etapa, el tritio fue despreciado en el proceso de nucleación como primera aproximación. Los campos de fuerza que describen las interacciones dentro de las mezclas se adaptaron a partir de potenciales interatómicos disponibles en la literatura. Los modelos de metal líquido incorporaron la contribución efectiva de las nubes electrónicas, y su rendimiento se evaluó mediante propiedades termodinámicas, estructurales y volumétricas. Como segunda aproximación, el helio se trató sin contribuciones electrónicas explícitas. Varias propiedades termofísicas fueron reproducidas satisfactoriamente, proporcionando así una validación parcial del modelo propuesto. En consecuencia, los campos de fuerza resultantes se basaron en la hipótesis de transferibilidad de los potenciales interatómicos a las condiciones termodinámicas investigadas en este trabajo. En la segunda parte de la tesis se presentaron los estudios más innovadores, correspondientes al estudio de la solubilidad del helio (constantes de Henry) en metales alcalinos y aleaciones de plomo--litio, así como de la tensión interfacial y las inhomogeneidades de presión en sus superficies divisorias, a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión. Bajo la suposición de que estos procesos están gobernados por la teoría clásica de la nucleación, estas dos series de estudios permiten determinar los términos volumétrico y de interfaz involucrados en el trabajo de formación de las burbujas. El primero viene determinado por el grado de sobresaturación de una mezcla en la que el helio está inicialmente disuelto y está intrínsecamente ligado a la solubilidad. El segundo es proporcional al área de la superficie divisoria, con la tensión interfacial como factor multiplicativo. 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.