Реакторът за синтез е по същество магнитна бутилка, съдържаща същите процеси, които се случват на слънцето. Деутериевите и тритиевите горива се сливат, за да образуват пари от хелиеви йони, неутрони и топлина. Тъй като този горещ, йонизиран газ, наречен плазма, изгаря, тази топлина се прехвърля към водата, за да се получи пара, която да завърти турбини, които генерират електричество. Прегрятата плазма представлява постоянна заплаха за стената на реактора и отклонителя (който премахва отпадъците от работещия реактор, за да поддържа плазмата достатъчно гореща, за да изгори).

„Опитваме се да определим фундаменталното поведение на обърнатите към плазмата материали с цел по-добро разбиране на механизмите на разграждане, така че да можем да проектираме здрави, нови материали“, каза ученият по материали Чад Париш от Националната лаборатория в Оук Ридж на Министерството на енергетиката. Той е старши автор на изследване в списаниетоНаучни докладикойто изследва разграждането на волфрам при условия, свързани с реактора.

Тъй като волфрамът има най-високата точка на топене от всички метали, той е кандидат за плазмени материали. Поради своята крехкост обаче, търговската електроцентрала е по-вероятно да бъде направена от волфрамова сплав или композит. Независимо от това, научаването за това как енергичното атомно бомбардиране засяга микроскопично волфрама помага на инженерите да подобрят ядрените материали.

„Вътре в термоядрена електроцентрала е най-бруталната среда, за която инженерите някога са били помолени да проектират материали“, каза Париш. „По-лошо е от вътрешността на реактивен двигател.“

Изследователите изучават взаимодействието на плазмата и машинните компоненти, за да направят материали, които са повече от подходящи за такива тежки условия на работа. Надеждността на материалите е ключов проблем с настоящите и новите ядрени технологии, който оказва значително влияние върху строителните и експлоатационните разходи на електроцентралите. Така че е изключително важно да се проектират материали за издръжливост през дългите жизнени цикли.

За настоящото изследване изследователи от Калифорнийския университет в Сан Диего бомбардираха волфрам с хелиева плазма при ниска енергия, имитирайки термоядрен реактор при нормални условия. Междувременно изследователи от ORNL използваха Multicharged Ion Research Facility, за да атакуват волфрама с високоенергийни хелиеви йони, емулиращи редки състояния, като плазмено разрушаване, което може да депозира необичайно голямо количество енергия.

Използвайки трансмисионна електронна микроскопия, сканираща трансмисионна електронна микроскопия, сканираща електронна микроскопия и електронна нанокристалография, учените характеризират еволюцията на мехурчетата във волфрамовия кристал и формата и растежа на структурите, наречени "пипала" при ниско- и високоенергийни условия. Те изпратиха пробите на фирма, наречена AppFive, за прецесионна електронна дифракция, усъвършенствана техника за електронна кристалография, за да се направи извод за механизми на растеж при различни условия.

От няколко години учените знаят, че волфрамът реагира на плазмата чрез образуване на кристални пипала в мащаба на милиардни от метъра или нанометри - нещо като малка поляна. Настоящото проучване откри, че пипалата, произведени от бомбардировка с по-ниска енергия, растат по-бавно, по-фини и по-гладки - образувайки по-плътен килим от мъх - от тези, създадени от нападение с по-висока енергия.

В металите атомите приемат подредена структурна подредба с определени пространства между тях. Ако един атом бъде изместен, остава празно място или „свободно място“. Ако радиацията, подобно на билярдна топка, извади атом от мястото му и остави празно място, този атом трябва да отиде някъде. Той се натъпква между други атоми в кристала, превръщайки се в интерстициал.

Нормалната работа на термоядрения реактор излага дивертора на висок поток от хелиеви атоми с много ниска енергия. „Хелиевият йон не удря достатъчно силно, за да направи сблъсъка на билярдната топка, така че трябва да се промъкне в решетката, за да започне да образува мехурчета или други дефекти“, обясни Париш.

Теоретици като Brian Wirth, председател на губернатора на UT-ORNL, са моделирали системата и вярват, че материалът, който се измества от решетката, когато се образуват мехурчета, се превръща в градивните елементи на пипалата. Атомите на хелий се скитат из решетката произволно, каза Париш. Те се сблъскват с други хелии и обединяват сили. В крайна сметка клъстерът е достатъчно голям, за да изхвърли волфрамов атом от мястото си.

„Всеки път, когато балонът расте, той изтласква още няколко волфрамови атома от техните места и те трябва да отидат някъде. Те ще бъдат привлечени от повърхността“, каза Париш. „Ние вярваме, че това е механизмът, по който се образува този наномъх.“

Компютърните учени провеждат симулации на суперкомпютри, за да изучават материали на тяхното атомно ниво или нанометрови размери и наносекундни времеви мащаби. Инженерите изследват как материалите стават крехки, напукват се и по друг начин се държат след продължително излагане на плазма, в сантиметър дължина и час. „Но между тях имаше малко наука“, каза Париш, чийто експеримент запълни тази празнина в знанията, за да проучи първите признаци на разграждане на материала и ранните етапи на растеж на наножила.

И така, мъхът добър ли е или лош? „Пъхът вероятно ще има както вредни, така и полезни свойства, но докато не научим повече за него, не можем да проектираме материали, за да се опитаме да елиминираме лошото, като същевременно акцентираме върху доброто“, каза Париш. Положителната страна е, че размитият волфрам може да понесе топлинни натоварвания, които биха напукали насипния волфрам, а ерозията е 10 пъти по-малка при размития, отколкото в насипния волфрам. От друга страна, наножилите могат да се отчупят, образувайки прах, който може да охлади плазмата. Следващата цел на учените е да научат как се развива материалът и колко лесно е да се откъснат наножилите от повърхността.

Партньорите на ORNL публикуваха скорошни експерименти със сканираща електронна микроскопия, които осветяват поведението на волфрама. Едно проучване показа, че растежът на пипалото не протича в никаква предпочитана ориентация. Друго изследване разкрива, че реакцията на обърнатия към плазмата волфрам към потока от хелиеви атоми еволюира от само наномъх (при нисък поток) до наномъх плюс мехурчета (при висок поток).

Заглавието на настоящата статия е „Морфологии на волфрамови наножилки, отгледани при излагане на хелий“.