Fuzijski reaktor je u suštini magnetna boca koja sadrži iste procese koji se dešavaju na suncu. Goriva deuterijuma i tricijuma spajaju se i formiraju paru jona helijuma, neutrona i toplote. Kako ovaj vrući, jonizirani plin – nazvan plazma – sagorijeva, ta toplina se prenosi na vodu kako bi se stvorila para za okretanje turbina koje proizvode električnu energiju. Pregrijana plazma predstavlja stalnu prijetnju zidu reaktora i divertoru (koji uklanja otpad iz radnog reaktora kako bi plazma bila dovoljno vruća da izgori).

"Pokušavamo da utvrdimo fundamentalno ponašanje materijala okrenutih plazmi sa ciljem boljeg razumevanja mehanizama degradacije kako bismo mogli da konstruišemo robusne, nove materijale", rekao je naučnik za materijale Chad Parish iz Nacionalne laboratorije Oak Ridge Ministarstva energetike. On je stariji autor studije u časopisuScientific Reportskoji je istraživao degradaciju volframa u uslovima relevantnim za reaktor.

Budući da volfram ima najvišu tačku topljenja od svih metala, on je kandidat za materijale okrenute plazmi. Međutim, zbog svoje krhkosti, komercijalna elektrana bi vjerojatnije bila napravljena od legure volframa ili kompozita. Bez obzira na to, učenje o tome kako energetsko atomsko bombardiranje mikroskopski utiče na volfram pomaže inženjerima da poboljšaju nuklearne materijale.

„Unutar fuzijske elektrane nalazi se najbrutalnija okolina za koju su inženjeri ikada zamoljeni da dizajniraju materijale“, rekao je Parish. “To je gore od unutrašnjosti mlaznog motora.”

Istraživači proučavaju interakciju plazme i komponenti mašina kako bi napravili materijale koji više nego odgovaraju takvim teškim uslovima rada. Pouzdanost materijala je ključno pitanje postojećih i novih nuklearnih tehnologija koje ima značajan utjecaj na troškove izgradnje i rada elektrana. Stoga je kritično konstruisati materijale za otpornost tokom dugih životnih ciklusa.

Za trenutnu studiju, istraživači sa Kalifornijskog univerziteta u San Dijegu bombardirali su volfram helijum plazmom pri niskoj energiji, oponašajući fuzijski reaktor u normalnim uslovima. U međuvremenu, istraživači na ORNL-u su koristili Multicharged Ion Research Facility da napadnu volfram sa visokoenergetskim ionima helijuma koji oponašaju rijetke uslove, kao što je poremećaj plazme koji može deponirati nenormalno veliku količinu energije.

Koristeći transmisijsku elektronsku mikroskopiju, skenirajuću transmisijsku elektronsku mikroskopiju, skenirajuću elektronsku mikroskopiju i elektronsku nanokristalografiju, naučnici su okarakterizirali evoluciju mjehurića u kristalu volframa i oblik i rast struktura zvanih "vitice" u uvjetima niske i visoke energije. Poslali su uzorke firmi pod nazivom AppFive na precesijsku difrakciju elektrona, naprednu tehniku ​​elektronske kristalografije, kako bi zaključili mehanizme rasta u različitim uslovima.

Već nekoliko godina naučnici su znali da volfram reaguje na plazmu formiranjem kristalnih vitica na skali od milijarditih delova metra, ili nanometara - svojevrsni sićušni travnjak. Trenutna studija je otkrila da su vitice nastale bombardiranjem niže energije sporije rastu, finije i glađe – formirajući gušći tepih od pahuljica – od onih koje su nastale napadom više energije.

U metalima, atomi poprimaju uredan strukturni raspored sa definisanim razmacima između njih. Ako se atom pomjeri, ostaje prazno mjesto ili „prazno mjesto“. Ako radijacija, poput lopte za bilijar, izbaci atom sa svog mjesta i ostavi prazno mjesto, taj atom mora negdje otići. Zbija se između drugih atoma u kristalu, postajući međuprostor.

Normalan rad fuzijskog reaktora izlaže divertor visokom fluksu atoma helijuma vrlo niske energije. "Jon helijuma ne udara dovoljno snažno da bi izvršio sudar bilijarske lopte, tako da mora da se ušunja u rešetku da bi počeo da formira mehuriće ili druge defekte", objasnio je Parish.

Teoretičari poput Briana Wirtha, predsjedavajućeg guvernera UT-ORNL-a, modelirali su sistem i vjeruju da materijal koji se pomjeri iz rešetke kada se formiraju mjehurići postaje građevni blokovi vitica. Atomi helijuma lutaju nasumično po rešetki, rekao je Parish. Oni se sudaraju sa drugim helijumima i udružuju snage. Na kraju je jato dovoljno veliko da izbaci atom volframa sa svog mjesta.

“Svaki put kada balon naraste, on gurne još nekoliko atoma volframa sa njihovih lokacija i oni moraju negdje otići. Privući će ih na površinu”, rekao je Parish. “Vjerujemo da je to mehanizam kojim se formira ovaj nanofuzz.”

Računarski naučnici pokreću simulacije na superkompjuterima kako bi proučavali materijale na njihovom atomskom nivou ili nanometarskoj veličini i vremenskim skalama nanosekunde. Inženjeri istražuju kako materijali postaju krhki, pucaju i na drugi način se ponašaju nakon dugog izlaganja plazmi, na centimetarskim i satnim vremenskim skalama. "Ali bilo je malo nauke između", rekao je Parish, čiji je eksperiment popunio ovu prazninu u znanju kako bi proučio prve znakove degradacije materijala i rane faze rasta nanotendrila.

Pa da li je fuzz dobar ili loš? "Fuzz će vjerovatno imati i štetna i korisna svojstva, ali dok ne saznamo više o tome, ne možemo konstruirati materijale da pokušamo eliminirati loše dok naglašavamo dobro", rekao je Parish. S druge strane, rasplinuti volfram bi mogao podnijeti toplinska opterećenja koja bi razbili volfram u rasutom stanju, a erozija je 10 puta manja kod rasplinutog volframa od rasutog volframa. S druge strane, nanotendrile se mogu odlomiti, formirajući prašinu koja može hladiti plazmu. Sljedeći cilj naučnika je da nauče kako materijal evoluira i koliko je lako odvojiti nanotendrile od površine.

ORNL partneri objavili su nedavne eksperimente skenirajuće elektronske mikroskopije koji osvjetljavaju ponašanje volframa. Jedna studija je pokazala da se rast vitica nije odvijao u željenoj orijentaciji. Drugo istraživanje je otkrilo da je odgovor volframa okrenutog plazmom na tok atoma helijuma evoluirao od samo nanofuzz ​​(pri niskom fluksu) do nanofuzz ​​plus mjehurića (pri visokom fluksu).

Naslov tekućeg rada je “Morfologije volframovih nanotendrila uzgojenih pod izlaganjem heliju”.