Guía docente de Materiales para Fusión (ME4/56/1/17)

La asignatura introduce los principios fundamentales de la ciencia de materiales aplicados al diseño, selección y evaluación de componentes para entornos extremos de fusión nuclear. Se revisan conceptos básicos de estructura atómica y cristalina, enlaces interatómicos, defectos cristalinos, difusión y transformaciones microestructurales, relacionándolos con propiedades macroscópicas relevantes como la resistencia mecánica, la ductilidad, la fluencia, la fatiga, la tenacidad y los mecanismos de fractura frágil y dúctil.

Se estudia el comportamiento de materiales estructurales candidatos para reactores de fusión e instalaciones experimentales, con especial atención a aceros ferrítico-martensíticos de activación reducida, EUROFER97, aceros ODS y otros materiales avanzados. Se analizan sus microestructuras, tratamientos térmicos, mecanismos de endurecimiento y degradación, así como la evolución de sus propiedades bajo altas temperaturas, cargas mecánicas e irradiación neutrónica.

La asignatura aborda asimismo los efectos específicos de la irradiación en materiales, incluyendo el concepto de desplazamientos atómicos por neutrones, la formación de cascadas de defectos, la transmutación nuclear, la producción de helio e hidrógeno, la formación de burbujas, el hinchamiento, la fragilización y otros procesos que condicionan la vida útil de los componentes.

A nivel aplicado, se introducen aspectos de neutrónica y protección radiológica relevantes para el diseño de componentes en instalaciones como DEMO e IFMIF-DONES. Se estudian materiales de blindaje, incluyendo hormigones de alta densidad y hormigones especiales con agregados pesados, como barita o magnetita, empleados para la atenuación de neutrones y radiación gamma. La asignatura conecta los fundamentos de la ciencia de materiales con casos reales de diseño, operación y evaluación de componentes en instalaciones de fusión de próxima generación.

No se establecen prerrequisitos obligatorios específicos para cursar esta asignatura. No obstante, se recomienda que el estudiantado posea conocimientos básicos de física, química y ciencia de materiales. Asimismo, resulta conveniente una familiaridad general con los conceptos básicos de energía nuclear y fusión, aunque los aspectos específicos necesarios para el seguimiento de la asignatura se introducirán progresivamente a lo largo del curso.

Conocimientos o Contenidos

C7 - Conoce los fundamentos físicos y técnicos de los plasmas de fusión y sus aplicaciones tecnológicas.
C8 - Domina conocimientos avanzados y demostrados, en un contexto de investigación
científica y tecnológica, acerca de los aspectos teóricos y prácticos en el ámbito de las Tecnologías de Fusión.

Habilidades o Destrezas

HD1 - Aplica los conocimientos adquiridos en la investigación de la Ciencia y Tecnología devPlasmas y Fusión.
HD3 - Gestiona bibliografía, documentación y bases de datos específicas de la Ciencia y Tecnología de Plasmas y Fusión.

Competencias

COM1 - Fomentar el respeto a los derechos humanos y derechos fundamentales; los valores democráticos, la libertad de pensamiento y de cátedra, la tolerancia y el
reconocimiento y respeto a la diversidad, la equidad de todas las ciudadanas y de todos los ciudadanos, la eliminación de todo contenido o práctica discriminatoria, la cultura de la paz y de la participación.
COM2 - Fomentar el respeto a la igualdad de género, para la igualdad efectiva de mujeres y de hombres, y al principio de igualdad de trato y no discriminación por razón de
nacimiento, origen nacional o étnico, religión, convicción u opinión, edad, discapacidad, orientación sexual, identidad o expresión de género, características sexuales, enfermedad, situación socioeconómica o cualquier otra condición o circunstancia personal o social.
COM3 - Fomentar el respeto a los principios de accesibilidad universal.
COM4 - Fomentar la sostenibilidad y la lucha contra el cambio climático.
COM5 - Participar en la comunicación con la comunidad académica en su conjunto y con la sociedad en general acerca de la Ciencia y Tecnología de Plasmas y Fusión de nueva generación y sus implicaciones académicas, productivas o sociales.
COM7 - Liderar proyectos de investigación y colaboraciones científicas o tecnológicas dentro de su ámbito temático, en contextos interdisciplinares y, en su caso, con una alta componente de transferencia del conocimiento.
COM8 - Integrar los conocimientos procedentes de la vanguardia de su campo de estudio.

BLOQUE 1 - Introducción a los materiales para fusión

Tema 1 Introducción a materiales para fusión

Introducción a los reactores de fusión y a las condiciones extremas de operación asociadas a estas instalaciones. Descripción de los principales componentes de un reactor de fusión -first wall, blanket, divertor y estructuras de soporte- y de las exigencias térmicas, mecánicas y neutrónicas a las que están sometidos. Papel de los materiales en la viabilidad tecnológica de DEMO e IFMIF-DONES y visión general de las principales familias de materiales utilizadas en tecnologías de fusión.

BLOQUE II - Irradiación y evolución microestructural

Tema 2 Interacción radiación-materia

Fundamentos de la interacción entre radiación y materiales en entornos de fusión. Producción de daño por irradiación mediante desplazamientos atómicos, cascadas de
colisión y procesos de transmutación. Introducción a conceptos como dpa, activación y producción de helio e hidrógeno, así como comparación entre entornos de irradiación de fisión y fusión.

Tema 3 Evolución microestructural bajo irradiación

Formación y evolución de defectos cristalinos inducidos por irradiación, incluyendo vacantes, intersticiales y agrupaciones de defectos. Relación entre evolución
microestructural y degradación de propiedades mecánicas y funcionales de los materiales. Introducción a fenómenos de endurecimiento, fragilización, swelling y degradación inducida por irradiación.

BLOQUE III - Materiales estructurales para reactores de fusión

Tema 4 Materiales metálicos candidatos para fusión

Estudio de los principales materiales metálicos empleados en reactores de fusión, incluyendo aceros RAFM, tungsteno y aleaciones de cobre. Relación entre composición,
microestructura y propiedades en condiciones extremas de operación. Ventajas, limitaciones y aplicaciones de las distintas familias de materiales estructurales y
funcionales.

Tema 5 Estrategias de diseño de materiales tolerantes a irradiación

Introducción a estrategias avanzadas de diseño de materiales con elevada tolerancia a irradiación. Papel de la nanoestructuración, interfaces, límites de grano y partículas
dispersas en el control de defectos y la mejora del comportamiento frente a irradiación. Introducción a materiales ODS y otras aproximaciones avanzadas para aplicaciones de fusión.

BLOQUE IV - Materiales civiles e infraestructuras para instalaciones de fusión

Tema 6 Hormigón en instalaciones nucleares y de fusión

Funciones estructurales y de blindaje del hormigón en instalaciones nucleares y de fusión. Descripción de hormigones especiales y materiales utilizados en bioshields y estructuras de protección radiológica. Influencia de la radiación, temperatura y envejecimiento sobre las propiedades físicas y mecánicas del hormigón.

Tema 7 Diseño estructural y durabilidad de infraestructuras nucleares

Principios básicos de diseño estructural y evaluación de durabilidad en instalacionessometidas a radiación y cargas térmicas severas. Integridad estructural, vida útil y
estrategias de mantenimiento en infraestructuras nucleares y de fusión. Aplicación a casos reales relacionados con IFMIF-DONES y otras grandes instalaciones científicas.

BLOQUE V - Integración y retos tecnológicos para DEMO

Tema 8 Helio y limitaciones operacionales en reactores de fusión

Estudio de la producción de helio por transmutación y de su influencia sobre la degradación de materiales estructurales en reactores de fusión. Formación de burbujas, fragilización y degradación de propiedades mecánicas bajo irradiación prolongada. Análisis de las limitaciones operacionales y de vida útil asociadas a componentes críticos de DEMO, así como de las principales estrategias de mitigación y extensión de vida útil en condiciones extremas.

Tema 9 Cualificación de materiales, DEMO e IFMIF-DONES

Introducción a los procesos de cualificación y generación de datos necesarios para el diseño y licenciamiento de materiales en futuros reactores de fusión como DEMO. Limitaciones de las bases de datos actuales y necesidad de instalaciones específicas de irradiación. Papel estratégico de IFMIF-DONES en el desarrollo, validación y cualificación de materiales para tecnologías de fusión.

Dada la naturaleza especializada y tecnológicamente emergente del ámbito de la fusión nuclear, parte de los contenidos de la asignatura se apoyará en artículos de revisión y publicaciones científicas de referencia internacional, además de manuales y textos clásicos. Esto permitirá al estudiantado familiarizarse con problemas tecnológicos actuales, estrategias de diseño de materiales y desarrollos recientes relacionados con DEMO e IFMIF-DONES.

·  Was, G. S. (2017). Fundamentals of Radiation Materials Science: Metals and Alloys (2nd ed.). Springer.
(Referencia fundamental sobre daño por irradiación y materiales nucleares. Accesible en bibliotecas universitarias y SpringerLink.)

·  Zinkle, S. J., & Ghoniem, N. M. (2000). “Operating temperature windows for fusion reactor structural materials”. Fusion Engineering and Design, 51–52, 55–71. Elsevier.
(Artículo clásico sobre limitaciones operacionales de materiales para fusión.)

·  Rieth, M., Dudarev, S., González de Vicente, S., et al. (2013). “Recent progress in research on tungsten materials for nuclear fusion applications in Europe”. Journal of Nuclear Materials, 432, 482–500. Elsevier.
(Referencia general sobre tungsteno para aplicaciones de fusión.)

·  Stoller, R. E., Was, G. S., Odette, G. R., & Wirth, B. D. (2013). “Primary Radiation Damage Formation”. En Comprehensive Nuclear Materials. Elsevier.
(Introducción clara a los mecanismos básicos de daño por irradiación.)

·  Konings, R. J. M. (Ed.). (2012). Comprehensive Nuclear Materials. Elsevier.
(Obra de referencia muy completa sobre materiales nucleares y daño por irradiación.)

·  Federici, G., Bachmann, C., Barucca, L., et al. (2018). “Overview of the DEMO staged design approach in Europe”. Nuclear Fusion, 59(6). IOP Publishing.
(Visión general actualizada del reactor DEMO europeo y sus retos tecnológicos.)

Materiales para fusión e irradiación

• Rieth, M., & Dudarev, S. L. (Eds.). (2011). Engineering Materials for Structural Applications in Fusion Reactors. Forschungszentrum Jülich.
• Singh, B. N., & Zinkle, S. J. (1993). “Defect accumulation in pure FCC metals in the transient regime: A review”. Journal of Nuclear Materials, 206, 212–229. Elsevier.
• Odette, G. R., Alinger, M. J., & Wirth, B. D. (2008). “Recent developments in irradiation-resistant steels”. Annual Review of Materials Research, 38, 471–503.
• Gilbert, M. R., Dudarev, S. L., Zheng, S., et al. (2012). “An integrated model for materials in a fusion power plant”. Nuclear Fusion, 52. IOP Publishing.
• Uytdenhouwen, I., Rieth, M., & Matera, R. (2011). Materials Challenges for Nuclear Systems. Forschungszentrum Jülich.

Hormigón e infraestructuras nucleares

• Kontani, O., Ichikawa, Y., Ishizawa, A., et al. (2013). “Irradiation effects on concrete structure”. Journal of Advanced Concrete Technology, 11, 151–160. Japan Concrete Institute.
• Neville, A. M. (2011). Properties of Concrete (5th ed.). Pearson.
• Brandt, A. M. (2009). Cement-Based Composites: Materials, Mechanical Properties and Performance. Taylor & Francis.
• International Atomic Energy Agency (IAEA). (2016). Aging Management of Concrete Structures in Nuclear Power Plants. IAEA Nuclear Energy Series. Vienna.
• International Federation for Structural Concrete (fib). (2013). fib Model Code for Concrete Structures 2010. Ernst & Sohn.
• Tomasz Piotrowski. “Neutron shielding evaluation of concretes and mortars: A review” Construction and Building Materials. Volume 277, 29 March 2021, 122238

IFMIF-DONES, cualificación y materiales para DEMO

• Knaster, J., Moeslang, A., & Muroga, T. (2016). “Materials research for fusion”. Nature Physics, 12, 424–434. Nature Publishing Group.
• Moeslang, A. (2013). “IFMIF and the European approach toward fusion materials testing”. Comptes Rendus Physique, 14, 497–503. Elsevier.
• IFMIF-DONES España Consortium. Documentación técnica y científica disponible en informes públicos y páginas institucionales del proyecto IFMIF-DONES.
• Tomasz Piotrowski et al (2024) “Optimization and evaluation of structural and shielding concrete for IFMIF-DONES”. Nuclear Materials and Energy. Volume 38, March 2024, 101597

La evaluación de la asignatura combinará la valoración de conocimientos teóricos, la capacidad de análisis de problemas relacionados con los materiales para tecnologías de fusión y la integración de conceptos multidisciplinares vinculados al comportamiento de materiales e infraestructuras en entornos extremos.

Sistemas de evaluación
SE1 Pruebas individuales escritas (0% - 60%)
SE2 Presentaciones orales (0% - 30%)
SE3 Trabajos e informes (0% - 30%)

La evaluación del trabajo de los estudiantes y su consiguiente calificación se podrá llevar a cabo mediante dos procedimientos:

1. Evaluación continua:

Este procedimiento permite aprobar la asignatura por curso de manera previa al examen final de la convocatoria. La calificación final se obtendrá a partir de los siguientes elementos:

Pruebas individuales escritas (60 %):

Evaluación de los conocimientos adquiridos sobre interacción radiación-materia, degradación de materiales, materiales estructurales para fusión, hormigones para instalaciones nucleares y procesos de cualificación de materiales. Las pruebas podrán incluir cuestiones teóricas, preguntas de razonamiento y análisis de casos relacionados con reactores de fusión e instalaciones como IFMIF-DONES. Se realizarán dos a lo largo del periodo de docencia

Presentaciones orales (10 %):

Exposición individual o en grupo de artículos científicos, casos de estudio o temas tecnológicos relacionados con materiales para fusión, infraestructuras nucleares o retos tecnológicos asociados a DEMO. Se valorará especialmente la capacidad de síntesis, el rigor científico y la claridad en la comunicación técnica.

Trabajos e informes (30 %):

Elaboración de informes técnicos, resolución de casos prácticos o trabajos de análisis sobre selección, degradación, diseño y cualificación de materiales en condiciones extremas de operación. Los trabajos podrán incluir el análisis de estrategias de mitigación de daño por irradiación, comportamiento de materiales estructurales o evaluación de problemas tecnológicos relevantes para futuras plantas de fusión.

2. Evaluación de convocatoria:

Para aquellos alumnos que no sigan el proceso de evaluación continua existe el examen oficial de convocatoria que consistirá en la resolución de cuestiones teórico-prácticas. Este examen se puntuará entre 0 y 6 (máximo un 60% de la calificación). El resto de la calificación (4 puntos, 40% del total), se conseguirá mediante la entrega de los trabajos e informes planteados en clase y una breve presentación oral de éstos.. Se aprobará con una calificación superior a 5

La ponderación agregada de las competencias transversales contará un 5% de la calificación y se incluirá dentro las diferentes actividades evaluadoras.

En todos los instrumentos de evaluación se valorará:

• la comprensión de los fundamentos físicos e ingenieriles;
• la capacidad de relacionar microestructura, propiedades y comportamiento en servicio;
• la integración de conceptos multidisciplinares;
• el uso adecuado de terminología científica y técnica;
• y la capacidad de análisis crítico de problemas tecnológicos reales en el ámbito de la fusión.

El artículo 19 de la Normativa de Evaluación y Calificación de los Estudiantes de la Universidad de Granada establece que los estudiantes que no hayan superado la asignatura en la convocatoria ordinaria dispondrán de una convocatoria extraordinaria. A ella podrán concurrir todos los estudiantes, con independencia de haber seguido o no un proceso de evaluación continua. De esta forma, el estudiante que no haya realizado la evaluación continua tendrá la posibilidad de obtener el 100% de la calificación.

En este caso la evaluación se realizará mediante el examen oficial de la convocatoria, que consistirá en la resolución de cuestiones teórico-prácticas. Este examen supondrá el 60 % de la calificación final. El 40 % restante se obtendrá mediante la evaluación de ejercicios resueltos y/o trabajos individuales. La asignatura se considerará
superada con una calificación final igual o superior a 5. 

La ponderación agregada de las competencias transversales contará un 5% de la calificación y se incluirá dentro las diferentes actividades evaluadoras.

El artículo 8 de la Normativa de Evaluación y Calificación de los Estudiantes de la Universidad de Granada establece que podrán acogerse a la evaluación única final, el estudiante que no pueda cumplir con el método de evaluación continua por causas justificadas.

Para acogerse a la evaluación única final, el estudiante, en las dos primeras semanas de impartición de la asignatura o en las dos semanas siguientes a su matriculación si ésta se ha producido con posterioridad al inicio de las clases o por causa sobrevenidas. Lo solicitará, a través del procedimiento electrónico, a la Coordinación del Máster, quien dará traslado al profesorado correspondiente, alegando y acreditando las razones que le asisten para no poder seguir el sistema de evaluación continua. Las pruebas a realizar y la ponderación de las calificaciones son las mismas que para la convocatoria extraordinaria.

La ponderación agregada de las competencias transversales contará un 5% de la calificación y se incluirá dentro las diferentes actividades evaluadoras.
 

Información de interés para estudiantado con discapacidad y/o Necesidades Específicas de Apoyo Educativo (NEAE):

Gestión de servicios y apoyos (https://ve.ugr.es servicios/atencionsocial/estudiantes-con-discapacidad).
 

Información de interés para estudiantado con discapacidad y/o Necesidades Específicas de Apoyo Educativo (NEAE): Gestión de servicios y apoyos (https://ve.ugr.es/servicios/atencion-social/estudiantes-con-discapacidad).