Ang usa ka fusion reactor usa ka magnetic nga botelya nga adunay parehas nga mga proseso nga mahitabo sa adlaw. Ang mga sugnod sa Deuterium ug tritium nag-fuse aron mahimong alisngaw sa helium ions, neutrons ug kainit. Samtang kining init, ionized nga gas—gitawag ug plasma—masunog, kana nga kainit ibalhin ngadto sa tubig aron himoong alisngaw aron patuyok ang mga turbine nga mopatunghag elektrisidad. Ang sobrang init nga plasma naghatag ug kanunay nga hulga sa bungbong sa reaktor ug sa divertor (nga nagtangtang sa mga basura gikan sa naglihok nga reaktor aron magpabilin nga init ang plasma aron masunog).

"Gisulayan namon nga mahibal-an ang sukaranan nga pamatasan sa mga materyal nga nag-atubang sa plasma nga adunay katuyoan nga mas masabtan ang mga mekanismo sa pagkadaot aron makahimo kami nga lig-on, bag-ong mga materyales," ingon ang siyentista sa materyal nga si Chad Parish sa Oak Ridge National Laboratory sa Department of Energy. Siya ang senior author sa usa ka pagtuon sa journalSiyentipikanhong mga tahonga nagsusi sa pagkadaot sa tungsten ubos sa reactor-relevant nga mga kondisyon.

Tungod kay ang tungsten adunay labing taas nga punto sa pagkatunaw sa tanan nga mga metal, kini usa ka kandidato alang sa mga materyales nga nag-atubang sa plasma. Tungod sa pagkabuak niini, bisan pa, ang usa ka komersyal nga planta sa kuryente mas lagmit nga gihimo sa usa ka tungsten alloy o composite. Bisan unsa pa, ang pagkat-on bahin sa kung giunsa ang epekto sa kusog nga pagpamomba sa atomo sa tungsten microscopically makatabang sa mga inhenyero nga mapaayo ang nukleyar nga mga materyales.

"Sa sulod sa usa ka fusion power plant mao ang labing bangis nga mga enhinyero sa palibot nga gihangyo sa pagdesinyo sa mga materyales alang sa," miingon ang Parish. "Kini mas grabe pa kay sa sulod sa usa ka jet engine."

Gitun-an sa mga tigdukiduki ang interaksyon sa plasma ug mga sangkap sa makina aron makahimo og mga materyales nga labaw pa sa usa ka tugma alang sa ingon ka grabe nga mga kondisyon sa pag-operate. Ang pagkakasaligan sa mga materyales usa ka hinungdanon nga isyu sa karon ug bag-ong mga teknolohiya sa nukleyar nga adunay hinungdanon nga epekto sa mga gasto sa pagtukod ug pagpaandar sa mga planta sa kuryente. Mao nga hinungdanon ang pag-engineer sa mga materyales alang sa katig-a sa taas nga mga siklo sa kinabuhi.

Alang sa kasamtangan nga pagtuon, ang mga tigdukiduki sa University of California, San Diego, mibomba sa tungsten sa helium plasma sa ubos nga enerhiya nga nagsundog sa usa ka fusion reactor ubos sa normal nga mga kondisyon. Samtang, ang mga tigdukiduki sa ORNL migamit sa Multicharged Ion Research Facility sa pag-atake sa tungsten nga adunay high-energy helium ions nga nagsundog sa talagsaong mga kondisyon, sama sa pagkaguba sa plasma nga mahimong magdeposito sa abnormal nga dako nga gidaghanon sa enerhiya.

Gamit ang transmission electron microscopy, scanning transmission electron microscopy, scanning electron microscopy ug electron nanocrystallography, gihulagway sa mga siyentista ang ebolusyon sa mga bula sa tungsten crystal ug ang porma ug ang pagtubo sa mga istruktura nga gitawag og "tendrils" ubos sa ubos ug taas nga mga kondisyon sa enerhiya. Gipadala nila ang mga sample sa usa ka kompanya nga gitawag AppFive alang sa precession electron diffraction, usa ka advanced electron crystallography technique, aron mahibal-an ang mga mekanismo sa pagtubo ubos sa lainlaing mga kondisyon.

Sa sulod sang pila ka tuig nahibaluan sang mga sientipiko nga ang tungsten nagasabat sa plasma paagi sa pagporma sang kristal nga mga ugat sa kadakuon nga bilyones sang isa ka metro, ukon nanometer—isa ka gamay nga sahi sang balilihan. Nadiskobrehan sa kasamtangan nga pagtuon nga ang mga tendril nga gihimo sa ubos nga enerhiya nga pagpamomba mas hinay nga nagtubo, mas maayo ug mas hapsay-nga nagporma og mas dasok nga carpet sa fuzz-kaysa niadtong gimugna sa mas taas nga enerhiya nga pag-atake.

Sa mga metal, ang mga atomo adunay usa ka hapsay nga pagkahan-ay sa istruktura nga adunay gipiho nga mga luna sa taliwala nila. Kung ang usa ka atomo mabalhin, usa ka walay sulod nga lugar, o "bakante," magpabilin. Kung ang radyasyon, sama sa bola sa bilyar, makaguba sa usa ka atomo gikan sa lugar niini ug magbilin ug bakante, kana nga atomo kinahanglang moadto sa usa ka dapit. Nag-crack kini sa kaugalingon tali sa ubang mga atomo sa kristal, nga nahimong interstitial.

Ang normal nga operasyon sa fusion-reactor nagbutyag sa divertor sa usa ka taas nga flux sa mga atomo sa helium nga ubos kaayo ang enerhiya. "Ang usa ka helium ion dili igo nga pag-igo aron mahimo ang pagbangga sa bola sa bilyar, mao nga kinahanglan kini nga mosulod sa lattice aron magsugod sa pagporma sa mga bula o uban pang mga depekto," gipasabut sa Parish.

Ang mga teorista sama ni Brian Wirth, usa ka Tagapangulo sa Gobernador sa UT-ORNL, nagmodelo sa sistema ug nagtuo nga ang materyal nga makuha gikan sa lattice kung ang mga bula maporma nga mahimong mga bloke sa pagtukod sa mga tendrils. Ang mga atomo sa helium naglibot-libot sa lattice nga random, giingon sa Parish. Nabunggo sila sa ubang mga helium ug naghiusa. Sa kadugayan ang pungpong igo na ang kadako aron matumba ang usa ka atomo sa tungsten gikan sa lugar niini.

"Sa matag higayon nga ang bula motubo kini magduso sa usa ka magtiayon nga dugang nga tungsten atoms gikan sa ilang mga site, ug sila kinahanglan nga moadto sa usa ka dapit. Madani sila sa ibabaw, ”ingon ni Parish. "Kana, kami nagtuo, mao ang mekanismo diin kini nga nanofuzz ​​naporma."

Ang mga computational scientist nagpadagan og mga simulation sa mga supercomputer aron tun-an ang mga materyales sa ilang atomic level, o nanometer size ug nanosecond time scales. Gisusi sa mga inhenyero kung giunsa ang mga materyales naguba, nagliki, ug kung dili molihok pagkahuman sa taas nga pagkaladlad sa plasma, sa sentimetro nga gitas-on ug oras nga timbangan sa oras. "Apan adunay gamay nga siyensya sa taliwala," miingon ang Parish, kansang eksperimento mipuno niini nga kal-ang sa kahibalo aron tun-an ang unang mga timailhan sa pagkadaut sa materyal ug ang unang mga hugna sa pagtubo sa nanotendril.

Busa ang fuzz maayo o dili maayo? "Ang Fuzz lagmit adunay makadaot ug mapuslanon nga mga kabtangan, apan hangtod nga nahibal-an namon ang dugang bahin niini, dili kami makahimo sa pag-engineer sa mga materyales aron sulayan nga mawala ang daotan samtang gipasiugda ang maayo," ingon ni Parish. Sa dugang nga bahin, ang fuzzy tungsten mahimo’g magkuha og mga heat load nga makaliki sa kinabag-an nga tungsten, ug ang erosion 10 ka beses nga mas gamay sa fuzzy kaysa bulk tungsten. Sa minus nga bahin, ang mga nanotendrils mahimong mabuak, nga mahimong abog nga makapabugnaw sa plasma. Ang sunod nga katuyoan sa mga siyentista mao ang pagkat-on kung giunsa ang pag-uswag sa materyal ug kung unsa kadali ang pagbungkag sa mga nanotendrils gikan sa ibabaw.

Ang mga kasosyo sa ORNL nagpatik sa bag-o nga pag-scan sa electron microscopy nga mga eksperimento nga nagdan-ag sa pamatasan sa tungsten. Ang usa ka pagtuon nagpakita nga ang pagtubo sa tendril wala magpadayon sa bisan unsang gusto nga oryentasyon. Ang laing imbestigasyon nagpadayag nga ang tubag sa plasma-facing tungsten ngadto sa helium atom flux milambo gikan sa nanofuzz ​​lamang (sa ubos nga flux) ngadto sa nanofuzz ​​plus bubbles (sa taas nga flux).

Ang titulo sa kasamtangan nga papel mao ang "Morpolohiya sa tungsten nanotendrils nga gipatubo ubos sa helium exposure."