Тэрмаядзерны рэактар ​​- гэта па сутнасці магнітная бутэлька, якая змяшчае тыя ж працэсы, якія адбываюцца на сонцы. Дэйтэрыевае і трыціевае паліва зліваюцца, утвараючы пары іёнаў гелія, нейтронаў і цяпла. Калі гэты гарачы іянізаваны газ, званы плазмай, гарыць, гэта цяпло перадаецца вадзе, каб пара круціла турбіны, якія выпрацоўваюць электрычнасць. Перагрэтая плазма ўяўляе пастаянную пагрозу для сценкі рэактара і дывертара (які выдаляе адходы з дзеючага рэактара, каб падтрымліваць плазму дастаткова гарачай, каб згарэць).

«Мы спрабуем вызначыць асноўныя паводзіны матэрыялаў, накіраваных на плазму, з мэтай лепшага разумення механізмаў дэградацыі, каб мы маглі ствараць надзейныя новыя матэрыялы», — сказаў навуковец па матэрыялах Чад Пэрыш з Нацыянальнай лабараторыі Ок-Рыдж Дэпартамента энергетыкі. Ён з'яўляецца старэйшым аўтарам даследавання ў часопісеНавуковыя дакладыякі даследаваў дэградацыю вальфраму ва ўмовах рэактара.

Паколькі вальфрам мае самую высокую тэмпературу плаўлення з усіх металаў, ён з'яўляецца кандыдатам у плазменныя матэрыялы. Аднак з-за сваёй далікатнасці камерцыйная электрастанцыя, хутчэй за ўсё, будзе зроблена з вальфрамавага сплаву або кампазіта. Нягледзячы на ​​​​гэта, вывучэнне таго, як энергічная атамная бамбардзіроўка ўплывае на вальфрам мікраскапічна, дапамагае інжынерам палепшыць ядзерныя матэрыялы.

«Унутры тэрмаядзернай электрастанцыі знаходзіцца самае жорсткае асяроддзе, для якога інжынераў калі-небудзь прасілі распрацаваць матэрыялы», — сказаў Пэрыш. «Гэта горш, чым інтэр'ер рэактыўнага рухавіка».

Даследчыкі вывучаюць узаемадзеянне плазмы і кампанентаў машыны, каб вырабляць матэрыялы, якія больш чым падыходзяць для такіх жорсткіх умоў працы. Надзейнасць матэрыялаў з'яўляецца ключавой праблемай сучасных і новых ядзерных тэхналогій, якая аказвае істотны ўплыў на будаўніцтва і эксплуатацыйныя выдаткі электрастанцый. Такім чынам, вельмі важна распрацоўваць матэрыялы для трываласці на працягу доўгага жыццёвага цыкла.

Для гэтага даследавання даследчыкі з Каліфарнійскага ўніверсітэта ў Сан-Дыега бамбілі вальфрам геліевай плазмай пры нізкай энергіі, імітуючы тэрмаядзерны рэактар ​​у нармальных умовах. Тым часам даследчыкі з ORNL выкарысталі Multicharged Ion Research Facility, каб атакаваць вальфрам іёнамі гелія з высокай энергіяй, імітуючы рэдкія ўмовы, такія як разбурэнне плазмы, якое магло вылучыць анамальна вялікую колькасць энергіі.

Выкарыстоўваючы трансмісійную электронную мікраскапію, сканавальную электронную мікраскапію, сканавальную электронную мікраскапію і электронную нанакрышталаграфію, навукоўцы ахарактарызавалі эвалюцыю бурбалак у крышталі вальфраму, а таксама форму і рост структур, званых «вусікамі» ва ўмовах нізкай і высокай энергіі. Яны адправілі ўзоры ў фірму пад назвай AppFive для прэцэсійнай дыфракцыі электронаў, удасканаленага метаду электроннай крышталаграфіі, каб зрабіць выснову аб механізмах росту ў розных умовах.

На працягу некалькіх гадоў навукоўцы ведалі, што вальфрам рэагуе на плазму, утвараючы крышталічныя вусікі ў маштабе мільярдных доляй метра або нанаметраў - свайго роду малюсенькі газон. Цяперашняе даследаванне паказала, што вусікі, створаныя ў выніку бамбардзіроўкі з меншай энергіяй, растуць павольней, становяцца больш тонкімі і гладкімі, утвараючы больш шчыльны дыван з пуху, чым вусікі, створаныя пры нападзе з большай энергіяй.

У металах атамы маюць упарадкаванае структурнае размяшчэнне з пэўнымі прамежкамі паміж імі. Калі атам ссоўваецца, застаецца пустое месца, або «вакансія». Калі радыяцыя, як більярдны шар, выбівае атам са свайго месца і пакідае вакантнае месца, гэты атам павінен кудысьці дзецца. Ён упіхваецца паміж іншымі атамамі ў крышталі, становячыся прамежкавым элементам.

Звычайная праца тэрмаядзернага рэактара падвяргае дывертар уздзеянню высокага патоку атамаў гелія з вельмі нізкай энергіяй. «Іён гелія не б'е дастаткова моцна, каб здзейсніць сутыкненне більярднага шара, таму ён павінен пракрасціся ў краты, каб пачаць утвараць бурбалкі або іншыя дэфекты», - растлумачыў Пэрыш.

Такія тэарэтыкі, як Браян Вірт, старшыня губернатара UT-ORNL, змадэлявалі сістэму і лічаць, што матэрыял, які выцясняецца з рашоткі, калі ўтвараюцца бурбалкі, становіцца будаўнічым блокам вусікаў. Атамы гелія блукаюць па рашотцы выпадковым чынам, сказаў Пэрыш. Яны сутыкаюцца з іншымі геліямі і аб'ядноўваюць намаганні. У рэшце рэшт кластар становіцца дастаткова вялікім, каб выбіць атам вальфраму са свайго месца.

«Кожны раз, калі бурбалка расце, яна выштурхвае яшчэ пару атамаў вальфраму са сваіх месцаў, і ім трэба кудысьці ісці. Іх будзе прыцягваць паверхня», — сказаў Пэрыш. «Гэта, як мы лічым, механізм, з дапамогай якога ўтвараецца гэты нанапух».

Навукоўцы-вылічальнікі запускаюць мадэляванне на суперкамп'ютарах для вывучэння матэрыялаў на іх атамным узроўні або ў нанаметровым памеры і нанасекундным часе. Інжынеры даследуюць, як матэрыялы становяцца далікатнымі, трэскаюцца і іншым чынам паводзяць сябе пасля працяглага ўздзеяння плазмы ў сантыметрах даўжыні і гадзінах. "Але паміж імі было мала навукі", - сказаў Пэрыш, чый эксперымент запоўніў гэты прабел у ведах, каб вывучыць першыя прыкметы дэградацыі матэрыялу і раннія стадыі росту нанавусікаў.

Такім чынам, пух - гэта добра ці дрэнна? «Пух можа мець як шкодныя, так і карысныя ўласцівасці, але пакуль мы не даведаемся пра яго больш, мы не зможам распрацаваць матэрыялы, каб паспрабаваць ліквідаваць дрэннае, падкрэсліваючы добрае», — сказаў Пэрыш. Са станоўчага боку, невыразны вальфрам можа вытрымліваць цеплавыя нагрузкі, якія прывядуць да расколіны аб'ёмнага вальфраму, а эрозія ў невыразнага вальфраму ў 10 разоў меншая, чым аб'ёмнага. З іншага боку, нанавусікі могуць адрывацца, утвараючы пыл, які можа астудзіць плазму. Наступная мэта навукоўцаў - даведацца, як эвалюцыянуе матэрыял і наколькі лёгка адарваць нановитки ад паверхні.

Партнёры ORNL апублікавалі нядаўнія эксперыменты сканавальнай электроннай мікраскапіі, якія асвятляюць паводзіны вальфраму. Адно даследаванне паказала, што рост вусіка не адбываўся ў якой-небудзь пераважнай арыентацыі. Іншае даследаванне паказала, што рэакцыя вальфраму, звернутага да плазмы, на паток атамаў гелія змянілася ад толькі нанапухі (пры нізкім патоку) да нанапухі плюс бурбалкі (пры вялікім патоку).

Назва цяперашняй працы - "Марфалогіі вальфрамавых нанавусікаў, вырашчаных пад уздзеяннем гелія".