Från pikosekunder till årtionden: modellering av material för framtidens energi

Professor Andrea Sand ska börja vid Institutionen för teknisk fysik vid Aalto-universitetet. Sand utnyttjar datorsimulering för att studera hur olika material beter sig, något som är användbart när materialen utsätts för omständigheter som är svåra att utforska på traditionellt vis – till exempel hur de uppträder inuti en kärnreaktor eller i rymden. Vi har pratat med henne om hennes arbete.

Vad forskar du i och varför?

Jag undersöker genom datorsimulering hur strålning påverkar olika material. Det är något vi arbetar med eftersom de processer som orsakar strålningsskador är så snabba och sker på en så liten skala att de är synnerligen svåra att observera genom vanliga experiment. Därför är simulering den enda möjliga undersökningsmetoden.  Dessutom är de situationer där strålningsskador uppstår alltför extrema för att kunna återskapas på ett säkert sätt i laboratorieförhållanden. Det kan handla om sådant som strålningsnivåerna i en kärnreaktor eller kosmisk strålning i rymden. För att förstå de här processerna och förutse de sannolika effekterna måste vi i stället skapa datormodeller av dem.

Mitt fokus ligger främst på framtida materialtillämpningar där strålning är central – till exempel fusion och nästa generation av fission. I befintliga fissionsreaktorer har materialen i dem legat där i årtionden, så vi kan ta isär dem och undersöka hur de förändrats. Men det kan vi inte ännu göra för att utforma nästa generation av reaktorer. Därför är simulering ett viktigt sätt att utforma dem.

Orsaken till att det är så viktigt att undersöka strålningsskador är att strålning med tiden förändrar materialens egenskaper. Till exempel förändras ett materials värmeledningsförmåga med tiden om det utsätts för strålning. Värmeledningsförmågan är en viktig egenskap i en reaktor, eftersom vi behöver få ut värmen ur den för att omvandlas till användbar elektrisk energi. En ur säkerhetssynpunkt ännu viktigare egenskap i en reaktor är dess strukturella hållfasthet. Strålning kan göra att material blir skörare vid andra temperaturer än de vanliga. Därför är detta viktigt att kunna förutse, så att reaktorerna kan göras säkra.

En fråga som jag börjat utforska på senare tid är hur strålning påverkar halvledare. Detta är relevant för att kunna förbättra motståndskraften mot strålningsskador i elektroniken i rymdfarkoster, men också för att öka resolutionen i partikeldetektorer för låga temperaturer, till exempel markbaserade halvledardetektorer som används för att söka mörk materia.

Vad intresserar dig i forskningsområdet?

Olika materials strålningsreaktioner är en stor begränsande faktor för framtida energitekniker. Frågorna är därför viktiga och utmanande. Om vi klarar av utmaningarna med säkerhet och lönsamhet kommer kärnenergi från fission och fusion att kunna möta den ökande efterfrågan på energi och samtidigt tackla klimatförändringen.

På ett grundläggande plan gillar jag personligen stringenta matematiska modeller, men jag uppskattar simuleringens förmåga att hålla sig i kontaktytan mellan analytiska modeller och faktiska experiment. Min bakgrund finns i den rent teoretiska fysiken – min allra första artikel behandlade kvantmekanikens logiska grund för att skapa en modell över dess begränsningar och approximativa värden. Sedan dess har jag gått vidare till modeller som inkluderar mer faktiska data och antaganden, men också fler tillämpningsområden i vardagen.

Vad förväntar du dig av framtiden?

Vi bör kunna förstå de materialförändringar som hela tiden sker på alla skalor, från pikosekunder till årtionden. Då kan vi garantera den strukturella hållfastheten i kärnutrustning under hela dess livscykel.

Kärnenergin förknippas med ett stort stigma på grund av såväl historiska misstag som en rädsla för det okända. I min roll som professor vid Aalto-universitetet vill jag gärna bidra till att motverka en del av rädslorna kring strålning. Vi glömmer lätt att vi hela tiden utsätts för små mängder strålning från naturliga källor i vår omgivning. Jag tror emellertid att vi står på randen till förändring, främst på grund av den problematik klimatförändringen innebär. Därför kommer attityderna till kärnenergin att förändras i och med att samhället inser hur ren och praktiskt taget oändlig den är som energikälla.