Un reactor de fusió és essencialment una ampolla magnètica que conté els mateixos processos que es produeixen al sol. Els combustibles de deuteri i triti es fusionen per formar un vapor d'ions d'heli, neutrons i calor. A mesura que aquest gas calent i ionitzat, anomenat plasma, es crema, aquesta calor es transfereix a l'aigua per fer vapor per fer girar les turbines que generen electricitat. El plasma sobreescalfat suposa una amenaça constant per a la paret del reactor i el desviador (que elimina els residus del reactor en funcionament per mantenir el plasma prou calent per cremar-se).

"Estem intentant determinar el comportament fonamental dels materials orientats al plasma amb l'objectiu d'entendre millor els mecanismes de degradació perquè puguem dissenyar materials nous i robusts", va dir el científic de materials Chad Parish del Laboratori Nacional d'Oak Ridge del Departament d'Energia. És autor principal d'un estudi a la revistaInformes científicsque va explorar la degradació del tungstè en condicions rellevants per al reactor.

Com que el tungstè té el punt de fusió més alt de tots els metalls, és un candidat per a materials de plasma. No obstant això, a causa de la seva fragilitat, una central elèctrica comercial estaria probablement feta d'un aliatge de tungstè o compost. Independentment, aprendre sobre com el bombardeig atòmic energètic afecta microscòpicament el tungstè ajuda els enginyers a millorar els materials nuclears.

"Dins d'una central elèctrica de fusió hi ha el més brutal que mai s'ha demanat als enginyers ambientals dissenyar materials", va dir Parish. "És pitjor que l'interior d'un motor a reacció".

Els investigadors estan estudiant la interacció del plasma i els components de les màquines per fer materials que siguin més que un equip per a condicions de funcionament tan dures. La fiabilitat dels materials és un tema clau amb les tecnologies nuclears actuals i noves que té un impacte significatiu en els costos de construcció i operació de les centrals elèctriques. Per tant, és fonamental dissenyar materials per a la resistència durant llargs cicles de vida.

Per a l'estudi actual, investigadors de la Universitat de Califòrnia, San Diego, van bombardejar tungstè amb plasma d'heli a baixa energia imitant un reactor de fusió en condicions normals. Mentrestant, els investigadors de l'ORNL van utilitzar la instal·lació de recerca d'ions multicarregats per atacar el tungstè amb ions d'heli d'alta energia emulant condicions rares, com ara una interrupció del plasma que podria dipositar una quantitat anormalment gran d'energia.

Utilitzant la microscòpia electrònica de transmissió, la microscòpia electrònica de transmissió d'escaneig, la microscòpia electrònica d'escaneig i la nanocristal·lografia electrònica, els científics van caracteritzar l'evolució de les bombolles al cristall de tungstè i la forma i el creixement d'estructures anomenades "torns" en condicions de baixa i alta energia. Van enviar les mostres a una empresa anomenada AppFive per a la difracció d'electrons de precessió, una tècnica avançada de cristal·lografia d'electrons, per inferir mecanismes de creixement en diferents condicions.

Des de fa uns anys, els científics saben que el tungstè respon al plasma formant vrilles cristal·lines a l'escala de mil·milionèsimes d'un metre, o nanòmetres, una mena de gespa minúscula. L'estudi actual va descobrir que els zarcics produïts per un bombardeig de baixa energia creixien més lentament, més fins i més suaus, formant una catifa més densa de pelusa, que els creats per un assalt d'energia més alta.

En els metalls, els àtoms assumeixen una disposició estructural ordenada amb espais definits entre ells. Si un àtom es desplaça, queda un lloc buit, o "vacant". Si la radiació, com una bola de billar, expulsa un àtom del seu lloc i deixa un lloc vacant, aquest àtom ha d'anar a algun lloc. S'amuntega entre altres àtoms del cristall, convertint-se en un intersticial.

El funcionament normal del reactor de fusió exposa el desviador a un alt flux d'àtoms d'heli de molt baixa energia. "Un ió d'heli no colpeja prou fort com per fer la col·lisió de la bola de billar, de manera que s'ha de colar a la gelosia per començar a formar bombolles o altres defectes", va explicar Parish.

Teòrics com Brian Wirth, un president del governador de l'UT-ORNL, han modelat el sistema i creuen que el material que es desplaça de la gelosia quan es formen bombolles es converteix en els blocs de construcció dels zarcillos. Els àtoms d'heli deambulen per la xarxa aleatòriament, va dir Parish. Troben amb altres helis i uneixen forces. Finalment, el cúmul és prou gran com per eliminar un àtom de tungstè del seu lloc.

"Cada vegada que la bombolla creix, empeny un parell d'àtoms de tungstè més fora dels seus llocs i han d'anar a algun lloc. Seran atrets a la superfície", va dir Parish. "Aquest, creiem, és el mecanisme pel qual es forma aquest nanofuzz".

Els científics computacionals realitzen simulacions en superordinadors per estudiar materials al seu nivell atòmic, o mida nanòmetre i escales de temps de nanosegons. Els enginyers exploren com els materials es fragilitzen, s'esquerden i es comporten d'una altra manera després d'una llarga exposició al plasma, a escales de centímetres de longitud i hores. "Però hi havia poca ciència entremig", va dir Parish, l'experiment de la qual va omplir aquest buit de coneixement per estudiar els primers signes de degradació del material i les primeres etapes del creixement dels nanotendrils.

Aleshores, la pelusa és bona o dolenta? "És probable que Fuzz tingui propietats tant perjudicials com beneficioses, però fins que no en sabem més, no podem dissenyar materials per intentar eliminar el dolent mentre accentuem el bo", va dir Parish. D'altra banda, el tungstè difuso pot agafar càrregues de calor que trencarien el tungstè a granel, i l'erosió és 10 vegades menor en el tungstè borroso que el tungstè a granel. Al costat negatiu, els nanotendrils es poden trencar, formant una pols que pot refredar el plasma. El següent objectiu dels científics és aprendre com evoluciona el material i com de fàcil és trencar els nanotendrils de la superfície.

Els socis d'ORNL van publicar recents experiments de microscòpia electrònica d'escaneig que il·luminen el comportament del tungstè. Un estudi va demostrar que el creixement del zarcic no va procedir en cap orientació preferida. Una altra investigació va revelar que la resposta del tungstè orientat al plasma al flux d'àtoms d'heli va evolucionar de només nanofuzz ​​(a baix flux) a nanofuzz ​​més bombolles (a alt flux).

El títol de l'article actual és "Morfologies de nanotendrils de tungstè cultivats sota exposició a l'heli".