Un reactore di fusione hè essenzialmente una buttiglia magnetica chì cuntene i stessi prucessi chì si trovanu in u sole. I carburanti di deuteriu è di tritium fusionanu per furmà un vapore di ioni d'heliu, neutroni è calore. Cume stu gasu caldu, ionizatu - chjamatu plasma - brusgia, quellu calore hè trasferitu à l'acqua per fà vapore per turnà e turbine chì generanu l'electricità. U plasma superheated pone una minaccia constante à u muru di u reattore è u divertor (chì sguassate i rifiuti da u reattore operativu per mantene u plasma abbastanza caldu per brusgià).

"Cerchemu di determinà u cumportamentu fundamentale di i materiali affruntati da u plasma cù u scopu di capisce megliu i meccanismi di degradazione in modu chì pudemu ingegnere materiali robusti è novi", hà dettu u scienziatu di materiali Chad Parish di u Laboratoriu Naziunale di Oak Ridge di u Dipartimentu di l'Energia. Hè autore senior di un studiu in a rivistaRapporti scientifichichì hà esploratu a degradazione di u tungstenu in cundizioni pertinenti à u reattore.

Perchè u tungstenu hà u puntu di fusione più altu di tutti i metalli, hè un candidatu per i materiali di plasma. A causa di a so fragilità, però, una centrale elettrica cummerciale seria più prubabilmente fatta di un alliatu di tungstenu o cumpostu. Indipendentemente, l'apprendimentu di cumu u bumbardamentu atomicu energeticu affetta u tungstenu microscopicamente aiuta l'ingegneri à migliurà i materiali nucleari.

"Dentu à una centrale elettrica di fusione hè l'ingegneri ambientali più brutali chì anu mai statu dumandatu à cuncepisce materiali per", disse Parish. "Hè peghju chè l'internu di un mutore jet."

I ricercatori studianu l'interazzione di i cumpunenti di plasma è di macchina per fà materiali chì sò più cà un match per tali cundizioni operativi duri. L'affidabilità di i materiali hè un prublema chjave cù e tecnulugia nucleari attuali è novi chì hà un impattu significativu in i costi di custruzzione è di operazione di e centrali elettriche. Dunque hè criticu à ingegneri materiali per a rusticità nantu à i cicli di vita longu.

Per u studiu attuale, i circadori di l'Università di California, San Diego, bombardavanu tungstenu cù plasma d'heliu à bassa energia imitando un reactore di fusione in cundizioni normali. Intantu, i circadori di l'ORNL anu utilizatu a Multicharged Ion Research Facility per assaltà u tungstenu cù ioni d'heliu d'alta energia emulendu cundizioni rari, cum'è una disrupzione di plasma chì puderia deposità una quantità anormalmente grande di energia.

Utilizendu a microscopia elettronica di trasmissione, a microscopia elettronica di trasmissione, a microscopia elettronica à scanning è a nanocristallografia elettronica, i scientisti anu carattarizatu l'evoluzione di bolle in u cristallu di tungstenu è a forma è a crescita di strutture chjamate "viti" in cundizioni di bassa è alta energia. Mandanu i campioni à una ditta chjamata AppFive per a diffrazione di l'elettroni di precessione, una tecnica avanzata di cristallografia di l'elettroni, per inferisce i meccanismi di crescita in diverse cundizioni.

Dapoi uni pochi d'anni, i scientisti anu saputu chì u tungstenu risponde à u plasma furmendu viticci cristallini nantu à a scala di billionths di un metru, o nanometers - un picculu prato di sorta. U studiu attuale hà scupertu chì i viticci pruduciuti da u bumbardamentu di energia più bassa eranu più lenti, più fini è più lisci, chì formanu una catifa più densa di fuzz, cà quelli creati da l'assaltu di energia più alta.

In i metalli, l'atomi assumenu un arrangiamentu strutturale ordinatu cù spazii definiti trà elli. Sè un atomu hè spustatu, un situ viotu, o "vacante", ferma. Se a radiazione, cum'è una bola di biliardo, caccià un atomu fora di u so situ è ​​lascia un vacante, quellu atomu deve andà in qualchì locu. Si crams trà altri atomi in u cristallu, diventendu un interstiziale.

U funziunamentu nurmale di reattore di fusione espone u divertore à un flussu elevatu di atomi d'heliu d'energia assai bassa. "Un ioni d'eliu ùn hè micca abbastanza forte per fà a colisazione di a bola di biliardo, cusì deve sneak in u lattice per cumincià à furmà bolle o altri difetti", spiegò Parish.

I teorici cum'è Brian Wirth, un presidente di u guvernatore UT-ORNL, anu modellatu u sistema è crede chì u materiale chì si spostà da u lattice quandu a forma di bolle diventa i blocchi di custruzzione di viti. L'atomi di l'heliu giranu intornu à u lattice in modu aleatoriu, hà dettu Parish. Sbuccanu in altri heli è uniscenu forze. Eventualmente u cluster hè abbastanza grande per caccià un atomu di tungstenu da u so situ.

"Ogni volta chì a bolla cresce, spinge un paru di atomi di tungstenu più fora di i so siti, è anu da andà in qualchì locu. Seranu attratti da a superficia ", disse Parish. "Questu, credemu, hè u mecanismu da quale si forma stu nanofuzz".

Scentifichi cumputational run simulations nant'à supercomputers à studià materiali à u so livellu atomicu, o nanometer size è nanosecond time scales. L'ingegneri esploranu cumu i materiali fragili, crack, è altrimente si cumportanu dopu una longa esposizione à u plasma, nantu à scale di centimetri di lunghezza è ora. "Ma ci era pocu scenza in trà", disse Parish, chì u so esperimentu hà rimpiatu sta lacuna di cunniscenza per studià i primi signali di degradazione materiale è i primi stadi di crescita di nanotendril.

Allora fuzz hè bonu o cattivu? "Fuzz hè prubabilmente d'avè proprietà dannusu è benefiche, ma finu à chì sapemu più nantu à questu, ùn pudemu micca ingegneri materiali per pruvà à eliminà u male mentre accentuendu u bonu", disse Parish. Da u latu più, u tungstenu fuzzy pò piglià carichi di calore chì romperanu u tungstenu in massa, è l'erosione hè 10 volte menu in fuzzy cà u tungstenu in massa. Da u latu minus, i nanotendrils ponu sguassate, furmendu una polvera chì pò rinfriscà u plasma. U prossimu scopu di i scientisti hè di amparà cumu si evoluzione u materiale è quantu faciule hè di rompe i nanotendrils da a superficia.

I partenarii ORNL anu publicatu recenti esperimenti di microscopia elettronica à scanning chì illuminanu u cumpurtamentu di tungstenu. Un studiu hà dimustratu chì a crescita di u zarci ùn hà micca prucedutu in alcuna orientazione preferita. Un'altra investigazione hà revelatu chì a risposta di u tungstènu di u plasma à u flussu di l'atomu di l'heliu hà evolutu da nanofuzz ​​solu (à flussu bassu) à nanofuzz ​​plus bubbles (à flussu altu).

U titulu di u documentu attuale hè "Morphologies di nanotendrils di tungstenu cultivati ​​sottu esposizione à l'heliu".