'n Fusiereaktor is in wese 'n magnetiese bottel wat dieselfde prosesse bevat wat in die son plaasvind. Deuterium- en tritiumbrandstowwe versmelt om 'n damp van heliumione, neutrone en hitte te vorm. Soos hierdie warm, geïoniseerde gas—genaamd plasma—brand, word daardie hitte na water oorgedra om stoom te maak om turbines te draai wat elektrisiteit opwek. Die oorverhitte plasma hou 'n konstante bedreiging in vir die reaktorwand en die afleider (wat afval uit die werkende reaktor verwyder om die plasma warm genoeg te hou om te brand).

"Ons probeer om die fundamentele gedrag van materiaal wat aan die plasma kyk, te bepaal met die doel om afbraakmeganismes beter te verstaan ​​sodat ons robuuste, nuwe materiale kan ontwerp," het materiaalwetenskaplike Chad Parish van die Departement van Energie se Oak Ridge Nasionale Laboratorium gesê. Hy is senior skrywer van 'n studie in die joernaalWetenskaplike verslaewat die afbraak van wolfram onder reaktor-relevante toestande ondersoek het.

Omdat wolfraam die hoogste smeltpunt van alle metale het, is dit 'n kandidaat vir materiaal wat na plasma kyk. As gevolg van sy brosheid, sal 'n kommersiële kragsentrale egter meer waarskynlik van 'n wolframlegering of saamgestelde gemaak word. Ongeag, om te leer oor hoe energieke atoombombardement wolfraam mikroskopies beïnvloed, help ingenieurs om kernmateriaal te verbeter.

"In 'n samesmeltingskragstasie is die wreedste omgewing waarvoor ingenieurs nog ooit gevra is om materiaal te ontwerp," het Parish gesê. "Dit is erger as die binnekant van 'n straalmotor."

Navorsers bestudeer die interaksie van plasma- en masjienkomponente om materiale te maak wat meer as 'n pasmaat vir sulke moeilike bedryfsomstandighede is. Materiaalbetroubaarheid is 'n sleutelkwessie met huidige en nuwe kerntegnologieë wat 'n beduidende impak op konstruksie- en bedryfskoste van kragsentrales het. Dit is dus van kritieke belang om materiale te ontwerp vir gehardheid oor lang lewensiklusse.

Vir die huidige studie het navorsers aan die Universiteit van Kalifornië, San Diego, wolfram gebombardeer met heliumplasma teen lae energie wat 'n samesmeltingsreaktor onder normale toestande naboots. Intussen het navorsers by ORNL die Multicharged Ion Research Facility gebruik om wolfram aan te val met hoë-energie heliumione wat seldsame toestande naboots, soos 'n plasma-ontwrigting wat 'n abnormaal groot hoeveelheid energie kan deponeer.

Deur transmissie-elektronmikroskopie, skandeer-transmissie-elektronmikroskopie, skandeer-elektronmikroskopie en elektron-nanokristallografie te gebruik, het die wetenskaplikes die evolusie van borrels in die wolframkristal en die vorm en die groei van strukture wat "ranke" genoem word onder lae- en hoë-energietoestande gekarakteriseer. Hulle het die monsters na 'n firma genaamd AppFive gestuur vir presessie-elektrondiffraksie, 'n gevorderde elektronkristallografie-tegniek, om groeimeganismes onder verskillende toestande af te lei.

Wetenskaplikes weet al ’n paar jaar lank dat wolfram op plasma reageer deur kristallyne ranke op die skaal van miljardstes van ’n meter, of nanometers te vorm—’n klein grasperk van soorte. Die huidige studie het ontdek dat ranke wat deur laer-energie-bombardement geproduseer word, stadiger groei, fyner en gladder - wat 'n digter tapyt van fuzz vorm - as dié wat deur 'n hoër-energie-aanval geskep word.

In metale neem atome 'n ordelike strukturele rangskikking aan met gedefinieerde spasies tussen hulle. As 'n atoom verplaas word, bly 'n leë terrein, of "vakature", oor. As bestraling, soos 'n biljartbal, 'n atoom van sy plek afslaan en 'n vakature laat, moet daardie atoom iewers heen gaan. Dit druk homself tussen ander atome in die kristal en word 'n interstisiaal.

Normale samesmeltingsreaktorwerking stel die afleider bloot aan 'n hoë vloed van baie-lae-energie heliumatome. "'n Heliumioon slaan nie hard genoeg om die biljartbalbotsing te doen nie, so dit moet in die rooster insluip om borrels of ander defekte te begin vorm," het Parish verduidelik.

Teoretici soos Brian Wirth, 'n UT-ORNL-goewerneurstoel, het die stelsel gemodelleer en glo dat die materiaal wat uit die rooster verplaas word wanneer borrels vorm, die boustene van ranke word. Heliumatome dwaal lukraak om die rooster, het Parish gesê. Hulle stamp ander heliums en span kragte saam. Uiteindelik is die groep groot genoeg om 'n wolframatoom van sy plek af te slaan.

"Elke keer as die borrel groei, stoot dit nog 'n paar wolframatome van hul terreine af, en hulle moet iewers heen gaan. Hulle gaan na die oppervlak aangetrek word,” het Parish gesê. "Dit, glo ons, is die meganisme waardeur hierdie nanofuzz ​​vorm."

Rekenkundige wetenskaplikes voer simulasies op superrekenaars uit om materiaal op hul atoomvlak, of nanometergrootte en nanosekonde tydskale te bestudeer. Ingenieurs ondersoek hoe materiale bros, kraak en andersins optree na lang blootstelling aan plasma, op sentimeter lengte en uur tydskale. "Maar daar was min wetenskap tussenin," het Parish gesê, wie se eksperiment hierdie kennisgaping gevul het om die eerste tekens van materiële agteruitgang en die vroeë stadiums van nanotendrilgroei te bestudeer.

So is fuzz goed of sleg? "Fuzz sal waarskynlik beide nadelige en voordelige eienskappe hê, maar totdat ons meer daaroor weet, kan ons nie materiaal ontwerp om die slegte te probeer uitskakel terwyl die goeie beklemtoon word nie," het Parish gesê. Aan die positiewe kant kan fuzzy wolfram hitteladings neem wat grootmaat wolfram sal kraak, en erosie is 10 keer minder in fuzzy as grootmaat wolfram. Aan die minuskant kan nanotendrille afbreek en 'n stof vorm wat plasma kan afkoel. Die wetenskaplikes se volgende doelwit is om te leer hoe die materiaal ontwikkel en hoe maklik dit is om die nanotendrills van die oppervlak af te breek.

Die ORNL-vennote het onlangse skanderingselektronmikroskopie-eksperimente gepubliseer wat wolframgedrag verlig. Een studie het getoon dat rankgroei nie in enige voorkeuroriëntasie voortgegaan het nie. Nog 'n ondersoek het aan die lig gebring dat die reaksie van plasma-gerigte wolfram tot heliumatoomvloed van slegs nanofuzz ​​(teen lae vloed) tot nanofuzz ​​plus borrels (teen hoë vloed) ontwikkel het.

Die titel van die huidige referaat is "Morfologieë van wolfram nanotendrille wat onder heliumblootstelling gekweek word."