Fúzní reaktor je v podstatě magnetická láhev obsahující stejné procesy, které se vyskytují na slunci. Deuterium a tritium se slučují za vzniku páry iontů hélia, neutronů a tepla. Jak tento horký, ionizovaný plyn – nazývaný plazma – hoří, toto teplo se přenáší do vody, aby se vytvořila pára, která roztáčí turbíny, které vyrábějí elektřinu. Přehřáté plazma představuje stálou hrozbu pro stěnu reaktoru a divertor (který odstraňuje odpad z provozního reaktoru, aby se plazma udrželo dostatečně horké na spálení).

"Snažíme se určit základní chování plazmových materiálů s cílem lépe porozumět degradačním mechanismům, abychom mohli zkonstruovat robustní, nové materiály," řekl materiálový vědec Chad Parish z Oak Ridge National Laboratory ministerstva energetiky. Je hlavním autorem studie v časopiseVědecké zprávykterý zkoumal degradaci wolframu za podmínek relevantních pro reaktor.

Vzhledem k tomu, že wolfram má nejvyšší bod tání ze všech kovů, je kandidátem na plazmové materiály. Vzhledem ke své křehkosti by však komerční elektrárna byla spíše vyrobena z wolframové slitiny nebo kompozitu. Bez ohledu na to, učení o tom, jak energetické atomové bombardování mikroskopicky ovlivňuje wolfram, pomáhá inženýrům zlepšovat jaderné materiály.

"Uvnitř fúzní elektrárny je to nejbrutálnější prostředí, pro které kdy byli inženýři požádáni, aby navrhli materiály," řekl Parish. "Je to horší než vnitřek proudového motoru."

Výzkumníci studují interakci plazmy a strojních součástí, aby vytvořili materiály, které jsou více než vhodné pro takové drsné provozní podmínky. Materiálová spolehlivost je klíčovou otázkou současných i nových jaderných technologií, která má významný dopad na výstavbu a provozní náklady elektráren. Je tedy důležité navrhnout materiály pro odolnost po dlouhou životnost.

Pro současnou studii vědci z Kalifornské univerzity v San Diegu bombardovali wolfram heliovým plazmatem při nízké energii napodobujícím fúzní reaktor za normálních podmínek. Mezitím výzkumníci z ORNL použili Multicharged Ion Research Facility k útoku na wolfram pomocí vysokoenergetických iontů hélia napodobujících vzácné podmínky, jako je narušení plazmy, které by mohlo uložit abnormálně velké množství energie.

Pomocí transmisní elektronové mikroskopie, rastrovací transmisní elektronové mikroskopie, rastrovací elektronové mikroskopie a elektronové nanokrystalografie vědci charakterizovali vývoj bublin v krystalu wolframu a tvar a růst struktur nazývaných „úponky“ za podmínek nízké a vysoké energie. Vzorky poslali firmě AppFive pro precesní elektronovou difrakci, pokročilou techniku ​​elektronové krystalografie, aby odvodili růstové mechanismy za různých podmínek.

Již několik let vědci věděli, že wolfram reaguje na plazmu vytvářením krystalických úponků v měřítku miliardtin metru nebo nanometrů – svého druhu maličký trávník. Současná studie zjistila, že úponky vzniklé bombardováním s nižší energií rostly pomaleji, jemnější a hladší – tvoří hustší koberec chmýří – než ty, které vznikly při útoku s vyšší energií.

V kovech atomy přebírají uspořádané strukturní uspořádání s definovanými prostory mezi nimi. Pokud je atom přemístěn, zůstává prázdné místo nebo „prázdné místo“. Pokud záření, jako kulečníková koule, srazí atom z jeho stanoviště a zanechá prázdné místo, tento atom musí někam jít. Vtěsná se mezi ostatní atomy v krystalu a stává se intersticiální.

Normální provoz fúzního reaktoru vystavuje divertor vysokému toku atomů helia s velmi nízkou energií. "Héliový iont nenaráží dostatečně silně, aby způsobil kolizi kulečníkové koule, takže se musí vplížit do mřížky, aby začal tvořit bubliny nebo jiné defekty," vysvětlil Parish.

Teoretici jako Brian Wirth, předseda guvernéra UT-ORNL, model vymodelovali systém a věří, že materiál, který se vytlačí z mřížky, když se vytvoří bubliny, se stane stavebními kameny úponků. Atomy helia putují po mřížce náhodně, řekl Parish. Narážejí na jiná helia a spojují síly. Nakonec je kupa dostatečně velká, aby srazila atom wolframu ze svého místa.

"Pokaždé, když bublina naroste, vytlačí pár dalších atomů wolframu z jejich míst a musí někam jít." Budou přitahováni k povrchu,“ řekl Parish. "Věříme, že to je mechanismus, kterým se tento nanofuzz ​​tvoří."

Výpočetní vědci provádějí simulace na superpočítačích, aby studovali materiály na jejich atomové úrovni nebo na nanometrové velikosti a nanosekundových časových měřítcích. Inženýři zkoumají, jak materiály křehnou, praskají a jinak se chovají po dlouhém vystavení plazmě, na centimetrech délky a hodinovém časovém měřítku. "Ale mezi tím bylo jen málo vědy," řekl Parish, jehož experiment zaplnil tuto mezeru ve znalostech studovat první známky degradace materiálu a raná stádia růstu nanotendrilů.

Je tedy fuzz dobrý nebo špatný? "Fuzz bude mít pravděpodobně škodlivé i prospěšné vlastnosti, ale dokud o něm nebudeme vědět více, nemůžeme navrhnout materiály, abychom se pokusili odstranit špatné a zároveň zdůraznit to dobré," řekl Parish. Pozitivní je, že neostrý wolfram může přenášet tepelné zátěže, které by popraskaly objemný wolfram, a eroze je u neostrého wolframu 10krát menší než objemný wolfram. Na straně mínus se mohou nanotendrily odlomit a vytvořit prach, který může plazmu ochladit. Dalším cílem vědců je zjistit, jak se materiál vyvíjí a jak snadné je odtrhnout nanotendrily od povrchu.

Partneři ORNL publikovali nedávné experimenty skenovací elektronové mikroskopie, které osvětlují chování wolframu. Jedna studie ukázala, že růst úponků neprobíhá v žádné preferované orientaci. Další výzkum odhalil, že odezva wolframu směřujícího k plazmě na tok atomu helia se vyvinula z pouze nanofuzzu (při nízkém toku) k nanofuzzům plus bublinám (při vysokém toku).

Název aktuálního článku je „Morfologie wolframových nanoendrilů pěstovaných pod působením helia“.