" PROCESAREA PULBERILOR CU AJUTORUL PLASMEI SI LASERILOR PENTRU APLICATII NUCLEARE "
LAPART

1. Institutul National de Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei (INFLPR)

• Laboratorul de Plasma de Temperatura Joasa

2. CEA Cadarache

• Institutul de Cercetare pentru Fuziune prin Confinare Magnetica

Materialele avute in vedere sunt Carbon (C), Beryllium (Be) si Tungsten (W), acestea fiind materiale de interes in aplicatii nucleare, in special in tehnologia de fuziune nucleara. Totusi, cunoscuta fiind patologia cancerigena indusa de Be, lucrul cu acest material este exclus. In schimb, sunt utilizati Al si Mg ca substituenti pentru Be, intrucat multe din proprietatile chimice si fizice ale acestor doua elemente sunt apropiate de cele ale Be. In propunerea de fata, aceste doua metale vor fi folosite ca substituenti ai Be in studiile ce se vor efectua de catre echipa de cercetare din Romania.
Obiectivul general al proiectului este obtinerea de particule si pulberi ale Al, Mg, W in conditii de control precis a proprietatilor acestora (dimensiune, chimie a suprafetei, structura). De asemenea, pentru a asigura manevrabilitatea optimizata in ce priveste siguranta nucleara a acestora, se urmareste transformarea pulberilor folosind tehnici inovative care implica folosirea laserilor si a plasmei. Obiectivul general al proiectului include o serie de obiective specifice:

1. Investigarea ablatiei laser pentru producerea de nano/microparticule de Al, Mg si W in faza gazoasa si lichida;
2. Fabricarea de materiale compozite constand din particule de Al, Mg, sau W incorporate in matrice de carbon sau carbon hidrogenat prin combinarea pulverizarii magnetron MS si PECVD si caracterizarea acestor materiale;
3. Modificarea cu ajutorul plasmei a proprietatilor de suprafata ale pulberilor si compozitelor si, daca este posibil, a dimensiunilor particulelor. Studii asupra proceselor de distrugere a particulelor folosind plasma si laserii.

Pentru atingerea obiectivelor proiectelor sunt propuse abordari experimentale inovatoare in scopul sintetizarii pulberilor si a materialelor compozite, combinate cu un efort intensiv pentru caracterizarea acestora, dupa cum urmeaza:

• Experimente de ablatie a Al, Mg si W in lichide avand diferite compozitii chimice. Fascicolul laser va fi focalizat pe tinte de Al, Mg sau W imersate in mediu lichid, expulzarea metalului avand loc in mediu lichid. Materialul produs va fi separat de faza lichida si va fi caracterizat din punct de vedere al dimensiunii, morfologiei, structurii si compozitiei chimice a particulelor. Se va studia efectul caracteristicilor pulsului laser (lungime de unda, durata, fluenta) si a compozitiei chimice a lichidului folosit asupra proprietatilor particulelor.
• Particule de Al, Mg, W incorporate in matrice de carbon se vor obtine printr-un concept nou de depunere in plasma, anume depunere secventiala MS/PECVD. Se va realiza un dispozitiv experimental in care depunerea filmelor compozite se va realiza folosind o sursa de depunere prin pulverizare magnetron MS si una de depunere prin PECVD care functioneaza independent, plasate in acelasi reactor. Prin expunerea periodica, pentru perioade de timp predefinite, a substratului la fiecare din cele doua surse de plasma, se vor obtine particule metalice cu dimensiune controlabila incorporate intr-o matrice de carbon.
• Pentru tratarea in plasma a pulberilor si particulelor sunt prevazute a se realiza doua tipuri de experimente. Una dintre abordari prevede implementarea metodei de fluidizare; pentru tratarea uniforma a particulelor de pulbere se va folosi un jet de plasma care va avea dublul rol de a imprastia si circula particulele (fluidizare) precum si de a le trata, asigurandu-se in acest mod un contact intim al particulelor cu speciile plasmei. Se va urmari eficienta metodei in ce priveste posibilitatea de oxidare, nitrurare sau reducere a pulberilor. Pulberile tratate vor fi investigate din punct de vedere al modificarii morfologiei si chimiei suprafetei, modificarile acestor proprietati urmand a fi corelate cu parametrii experimentali (puterea in plasma, tipul de gaz si temperatura). In al doilea tip de experiment, particulele metalice incorporate in matricea carbonica a unui film compozit vor fi indepartate prin corodare in plasma a acesteia. Se vor investiga de asemenea oxidarea, nitrurarea si reducerea straturilor compozite precum si procesul de indepartare a particulelor metalice prin corodare in plasma.

Activitatile din cele trei directii mentionate sunt planificate functie de echipamentele existente si cunostintele anterioare acumulate de participanti, dupa cum urmeaza:

Anul 1: Realizarea configuratiilor experimentale si demonstrarea posibilitatii de realizare a particulelor i) prin iradiere laser a tintelor metalice imersate in lichid si ii) prin codepunere secventiala controlata a materialelor prin pulverizare magnetron MS si PECVD.
Milestones/ Rezultate livrabile: configuratii experimentale functionale pentru producerea de particule si compozite prin ablatie laser si respectiv depunere secventiala in plasma / Raport stiintific;

Anul 2: Caracterizarea proceselor de sinteza prin ablatie laser si in plasma a particulelor si caracterizarea materialelor obtinute (morfologie, structura, dimensiune, structura, stare chimica);
Milestones/Rezultate livrabile: Date stiintifice si tehnice de caracterizare a proceselor de sinteza a particulelor cu proprietati controlate / Raport stiintific;

Anul 3: Realizare de experimente de modificare prin laser sau plasma a particulelor avand in vedere transformarea acestora din punct de vedere chimic, morfologic si posibila reducere a dimensiunii acestora.
Milestones/Rezultate livrabile: Date stiintifice si tehnice care descriu procesele ce conduc la transformarea particulelor prin interactia cu plasma sau laseri / Raport final concluziv asupra rezultatelor, cu sublinierea perspectivelor de aplicare in domeniul nuclear si in alte domenii.

Partenerul roman va contribui cu fabricarea particulelor cu dimensiuni nanometrice, optimizarea si caracterizarea procesului de fabricatie, precum si cu caracterizarea materialelor prin SEM, AFM, XRD si EDS.
Partenerul francez va livra particulele de dimensiuni micrometrice, va realiza caracterizari de suprafata specifica a particulelor, experimente pentru determinarea distributiei dimensiunilor particulelor si experimente de mobilizare a pulberilor. Ambii parteneri vor asigura un schimb intens de cercetatori prin vizite pe termen scurt a cercetatorilor cu experienta si stagii de lucru pentru cercetatorii tineri.

Partenerul roman:

• Dr. Gheorghe Dinescu
• Dr. Maria Dinescu
• Dr. Acsente Tomy
• Dr. Nicu Doinel Scarisoreanu, tanar cercetator
• Dr. Flavius Stokker Cherengi, tanar cercetator
• Antoniu Moldovan, tanar cercetator
• Eusebiu Rosini Ionita, doctorand
• Maximilian Teodorescu, doctorand, tanar cercetator
• Veronica Satulu, doctorand, tanar cercetator
• Stancu Cristian, doctorand, tanar cercetator
• Stoica Daniel, doctorand, tanar cercetator

Partenerul francez:

• Dr. Christian Grisolia

• Dr Alexandre Semerok