مفاعل الاندماج هو في الأساس زجاجة مغناطيسية تحتوي على نفس العمليات التي تحدث في الشمس. يندمج وقود الديوتيريوم والتريتيوم لتكوين بخار من أيونات الهيليوم والنيوترونات والحرارة. عندما يحترق هذا الغاز الساخن المتأين - المسمى البلازما - تنتقل تلك الحرارة إلى الماء لإنتاج البخار اللازم لتشغيل التوربينات التي تولد الكهرباء. تشكل البلازما شديدة السخونة تهديدًا مستمرًا لجدار المفاعل والمحول (الذي يزيل النفايات من المفاعل العامل للحفاظ على البلازما ساخنة بدرجة كافية للحرق).

قال عالم المواد تشاد باريش من مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة: "إننا نحاول تحديد السلوك الأساسي للمواد التي تواجه البلازما بهدف فهم آليات التحلل بشكل أفضل حتى نتمكن من هندسة مواد جديدة قوية". وهو مؤلف رئيسي لدراسة في المجلةالتقارير العلميةالتي استكشفت تحلل التنغستن في ظل الظروف ذات الصلة بالمفاعل.

نظرًا لأن التنغستن يتمتع بأعلى نقطة انصهار بين جميع المعادن، فهو مرشح للمواد التي تواجه البلازما. ومع ذلك، ونظرًا لهشاشتها، فمن المرجح أن تكون محطة الطاقة التجارية مصنوعة من سبيكة أو مركب التنغستن. وبغض النظر عن ذلك، فإن تعلم كيفية تأثير القصف الذري النشط على التنغستن مجهريًا يساعد المهندسين على تحسين المواد النووية.

قال باريش: "داخل محطة توليد الطاقة الاندماجية، يوجد مهندسو البيئة الأكثر وحشية الذين طلب منهم تصميم مواد من أجلها". "إنه أسوأ من الجزء الداخلي لمحرك نفاث."

يدرس الباحثون التفاعل بين البلازما ومكونات الآلة لتصنيع مواد أكثر من مناسبة لظروف التشغيل القاسية هذه. تعد موثوقية المواد مشكلة رئيسية في التقنيات النووية الحالية والجديدة التي لها تأثير كبير على تكاليف بناء وتشغيل محطات الطاقة. لذا فمن الأهمية بمكان هندسة المواد من أجل الصلابة على مدى دورات حياة طويلة.

وفي الدراسة الحالية، قام الباحثون في جامعة كاليفورنيا، سان دييغو، بقذف التنغستن ببلازما الهيليوم بطاقة منخفضة لمحاكاة مفاعل الاندماج في الظروف العادية. وفي الوقت نفسه، استخدم الباحثون في ORNL مرفق أبحاث الأيونات متعددة الشحن لمهاجمة التنغستن بأيونات الهيليوم عالية الطاقة التي تحاكي حالات نادرة، مثل اضطراب البلازما الذي قد يودع كمية كبيرة بشكل غير طبيعي من الطاقة.

باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ، والمجهر الإلكتروني الماسح، والمجهر الإلكتروني الماسح، وعلم البلورات النانوية الإلكترونية، حدد العلماء تطور الفقاعات في بلورة التنغستن وشكل ونمو الهياكل التي تسمى "المحلاق" في ظل ظروف الطاقة المنخفضة والعالية. أرسلوا العينات إلى شركة تدعى AppFive من أجل حيود الإلكترون المتقدّم، وهي تقنية متقدمة لعلم البلورات الإلكترونية، لاستنتاج آليات النمو في ظل ظروف مختلفة.

عرف العلماء لبضع سنوات أن التنغستن يستجيب للبلازما من خلال تكوين محلاق بلورية بمقياس جزء من مليار من المتر، أو نانومتر، وهو ما يشبه حديقة صغيرة من نوع ما. اكتشفت الدراسة الحالية أن المحلاق الناتج عن القصف منخفض الطاقة كان أبطأ في النمو، وأكثر دقة وأكثر سلاسة - مشكلًا سجادة أكثر كثافة من الزغب - من تلك التي تم إنشاؤها بواسطة الهجوم عالي الطاقة.

في المعادن، تفترض الذرات ترتيبًا بنيويًا منظمًا مع وجود مسافات محددة بينها. إذا تم إزاحة ذرة، فسيبقى موقع فارغ، أو "شاغر". إذا قام الإشعاع، مثل كرة البلياردو، بإخراج ذرة من موقعها وترك فراغًا، فيجب على تلك الذرة أن تذهب إلى مكان ما. إنها تحشر نفسها بين الذرات الأخرى في البلورة، لتصبح مادة خلالية.

إن التشغيل العادي لمفاعل الاندماج يعرض المحول لتدفق عالٍ من ذرات الهيليوم ذات الطاقة المنخفضة جدًا. وأوضح باريش: "لا يضرب أيون الهيليوم بقوة كافية لإحداث اصطدام بكرة البلياردو، لذلك يجب عليه التسلل إلى الشبكة لبدء تكوين فقاعات أو عيوب أخرى".

قام منظرون مثل بريان ويرث، رئيس محافظ UT-ORNL، بوضع نموذج للنظام ويعتقدون أن المادة التي يتم إزاحتها من الشبكة عندما تتشكل الفقاعات تصبح لبنات بناء المحلاق. وقال باريش إن ذرات الهيليوم تتجول حول الشبكة بشكل عشوائي. يصطدمون بالهيليوم الآخر ويوحدون قواهم. في نهاية المطاف، تصبح الكتلة كبيرة بما يكفي لإخراج ذرة التنغستن من موقعها.

"في كل مرة تنمو الفقاعة، فإنها تدفع بضع ذرات تنغستن أخرى خارج مواقعها، ويجب عليها الذهاب إلى مكان ما. وقال باريش: "سوف ينجذبون إلى السطح". "هذه، في اعتقادنا، هي الآلية التي يتشكل بها هذا النانو."

يجري علماء الحساب عمليات محاكاة على أجهزة الكمبيوتر العملاقة لدراسة المواد على مستواها الذري، أو حجم النانومتر ومقاييس زمنية النانو ثانية. يستكشف المهندسون كيفية هشاشة المواد وتشققها وسلوكها بعد التعرض الطويل للبلازما، على مقياس زمني يبلغ طوله سنتيمترًا وساعة. قال باريش، الذي قامت تجربته بملء هذه الفجوة المعرفية لدراسة العلامات الأولى لتدهور المواد والمراحل الأولى لنمو النانوتندريل: "لكن كان هناك القليل من العلوم بينهما".

فهل الزغب جيد أم سيئ؟ وقال باريش: "من المرجح أن يكون للزغب خصائص ضارة ومفيدة، ولكن حتى نعرف المزيد عنه، لا يمكننا هندسة المواد لمحاولة القضاء على العناصر السيئة مع إبراز الأشياء الجيدة". على الجانب الإيجابي، قد يأخذ التنغستن الغامض أحمالًا حرارية من شأنها أن تكسر كتلة التنغستن، ويكون التآكل أقل بـ 10 مرات في التنغستن الغامض من كتلة التنغستن. على الجانب السلبي، يمكن أن تنكسر الأوتاد النانوية لتشكل غبارًا يمكنه تبريد البلازما. الهدف التالي للعلماء هو معرفة كيفية تطور المادة ومدى سهولة تفكيك الحبيبات النانوية بعيدًا عن السطح.

نشر شركاء ORNL تجارب الفحص المجهري الإلكتروني الحديثة التي تسلط الضوء على سلوك التنغستن. أظهرت إحدى الدراسات أن نمو المحلاق لم يستمر في أي اتجاه مفضل. كشف بحث آخر أن استجابة التنغستن المواجه للبلازما لتدفق ذرة الهيليوم تطورت من الزغب النانوي فقط (عند التدفق المنخفض) إلى الزغب النانوي بالإضافة إلى الفقاعات (عند التدفق العالي).

عنوان الورقة الحالية هو "مورفولوجيات التنغستن النانوية المزروعة تحت التعرض للهيليوم".