Mae adweithydd ymasiad yn ei hanfod yn botel magnetig sy'n cynnwys yr un prosesau sy'n digwydd yn yr haul. Mae tanwydd deuteriwm a thritiwm yn ffiwsio i ffurfio anwedd o ïonau heliwm, niwtronau a gwres. Wrth i'r nwy poeth, ïoneiddiedig hwn - a elwir yn blasma - losgi, trosglwyddir y gwres hwnnw i ddŵr i wneud stêm i droi tyrbinau sy'n cynhyrchu trydan. Mae'r plasma superheated yn fygythiad cyson i wal yr adweithydd a'r dargyfeiriwr (sy'n tynnu gwastraff o'r adweithydd gweithredu i gadw'r plasma yn ddigon poeth i'w losgi).

“Rydyn ni'n ceisio pennu ymddygiad sylfaenol deunyddiau sy'n wynebu plasma gyda'r nod o ddeall mecanweithiau diraddio yn well fel y gallwn ni beiriannu deunyddiau cadarn, newydd,” meddai'r gwyddonydd deunyddiau Chad Parish o Labordy Cenedlaethol Oak Ridge yr Adran Ynni. Mae'n uwch awdur astudiaeth yn y cyfnodolynAdroddiadau Gwyddonola archwiliodd ddiraddiad twngsten o dan amodau sy'n berthnasol i'r adweithydd.

Oherwydd bod gan twngsten y pwynt toddi uchaf o'r holl fetelau, mae'n ymgeisydd ar gyfer deunyddiau sy'n wynebu plasma. Oherwydd ei freuder, fodd bynnag, byddai gwaith pŵer masnachol yn fwy tebygol o gael ei wneud o aloi twngsten neu gyfansawdd. Serch hynny, mae dysgu am sut mae peledu atomig egnïol yn effeithio ar twngsten yn ficrosgopig yn helpu peirianwyr i wella deunyddiau niwclear.

“Y tu mewn i orsaf bŵer ymasiad mae’r amgylchedd mwyaf creulon y gofynnwyd i beirianwyr ddylunio deunyddiau ar ei gyfer erioed,” meddai Parish. “Mae’n waeth na’r tu mewn i injan jet.”

Mae ymchwilwyr yn astudio rhyngweithio plasma a chydrannau peiriant i wneud deunyddiau sy'n fwy na chyfateb i amodau gweithredu mor llym. Mae dibynadwyedd deunyddiau yn fater allweddol gyda thechnolegau niwclear presennol a newydd sy'n cael effaith sylweddol ar gostau adeiladu a gweithredu gweithfeydd pŵer. Felly mae'n hanfodol peiriannu deunyddiau ar gyfer caledwch dros gylchoedd bywyd hir.

Ar gyfer yr astudiaeth gyfredol, fe wnaeth ymchwilwyr ym Mhrifysgol California, San Diego, beledu twngsten â plasma heliwm ar ynni isel gan ddynwared adweithydd ymasiad o dan amodau arferol. Yn y cyfamser, defnyddiodd ymchwilwyr yn ORNL y Cyfleuster Ymchwil Ion Amllwyth i ymosod ar twngsten ag ïonau heliwm ynni uchel gan efelychu amodau prin, fel amhariad plasma a allai ddyddodi swm anarferol o fawr o egni.

Gan ddefnyddio microsgopeg electronau trawsyrru, sganio microsgopeg electronau trawsyrru, sganio microsgopeg electron a nanocrystalograffeg electron, nodweddodd y gwyddonwyr esblygiad swigod yn y grisial twngsten a siâp a thwf strwythurau o'r enw “tendrils” o dan amodau ynni isel ac uchel. Anfonwyd y samplau at gwmni o'r enw AppFive ar gyfer diffreithiant electronau precession, sef techneg grisialograffi electronau datblygedig, i gasglu mecanweithiau twf o dan amodau gwahanol.

Ers rhai blynyddoedd mae gwyddonwyr wedi gwybod bod twngsten yn ymateb i blasma trwy ffurfio tendrils crisialog ar raddfa biliynfedau o fetr, neu nanometrau - lawnt fechan o bob math. Darganfu'r astudiaeth gyfredol fod tendrils a gynhyrchwyd gan belediad ynni is yn tyfu'n arafach, yn fanach ac yn llyfnach - gan ffurfio carped dwysach o fuzz - na'r rhai a grëwyd gan ymosodiad ynni uwch.

Mewn metelau, mae atomau yn rhagdybio trefniant strwythurol trefnus gyda bylchau diffiniedig rhyngddynt. Os caiff atom ei ddadleoli, erys safle gwag, neu “swydd wag”. Os yw ymbelydredd, fel pêl biliards, yn taro atom oddi ar ei safle ac yn gadael swydd wag, mae'n rhaid i'r atom hwnnw fynd i rywle. Mae'n gwasgu ei hun rhwng atomau eraill yn y grisial, gan ddod yn interstitial.

Mae gweithrediad ymasiad-adweithydd arferol yn gwneud y dargyfeiriwr yn agored i fflwcs uchel o atomau heliwm ynni isel iawn. “Nid yw ïon heliwm yn taro’n ddigon caled i wneud y gwrthdrawiad pêl biliards, felly mae’n rhaid iddo sleifio i mewn i’r dellt i ddechrau ffurfio swigod neu ddiffygion eraill,” esboniodd Parish.

Mae damcaniaethwyr fel Brian Wirth, Cadeirydd Llywodraethwyr UT-ORNL, wedi modelu'r system ac yn credu bod y deunydd sy'n cael ei ddadleoli o'r dellt pan fydd swigod yn ffurfio yn dod yn flociau adeiladu tendrils. Mae atomau heliwm yn crwydro o amgylch y dellt ar hap, meddai Parish. Maent yn taro i mewn i heliwmau eraill ac yn ymuno. Yn y pen draw mae'r clwstwr yn ddigon mawr i guro atom twngsten oddi ar ei safle.

“Bob tro mae’r swigen yn tyfu mae’n gwthio cwpl arall o atomau twngsten oddi ar eu safleoedd, ac mae’n rhaid iddyn nhw fynd i rywle. Maen nhw'n mynd i gael eu denu i'r wyneb,” meddai Parish. “Dyna, rydyn ni’n credu, yw’r mecanwaith y mae’r nanofuzz ​​hwn yn ei ffurfio.”

Mae gwyddonwyr cyfrifiannol yn cynnal efelychiadau ar uwchgyfrifiaduron i astudio deunyddiau ar eu lefel atomig, neu faint nanomedr a graddfeydd amser nanosecond. Mae peirianwyr yn archwilio sut mae deunyddiau'n brau, yn cracio, ac yn ymddwyn fel arall ar ôl dod i gysylltiad â phlasma am gyfnod hir, ar raddfeydd amser centimedr ac awr. “Ond ychydig iawn o wyddoniaeth oedd yn y canol,” meddai Parish, yr oedd ei arbrawf yn llenwi’r bwlch gwybodaeth hwn i astudio’r arwyddion cyntaf o ddiraddio materol a chyfnodau cynnar twf nanotedril.

Felly ydy fuzz yn dda neu'n ddrwg? “Mae Fuzz yn debygol o fod â nodweddion niweidiol a buddiol, ond hyd nes y byddwn yn gwybod mwy amdano, ni allwn beiriannu deunyddiau i geisio dileu'r drwg wrth bwysleisio'r da,” meddai Parish. Ar yr ochr gadarnhaol, gallai twngsten niwlog gymryd llwythi gwres a fyddai'n hollti twngsten swmp, ac mae erydiad 10 gwaith yn llai mewn niwlog na thwngsten swmp. Ar yr ochr minws, gall nanotendrils dorri i ffwrdd, gan ffurfio llwch a all oeri plasma. Nod nesaf y gwyddonwyr yw dysgu sut mae'r deunydd yn esblygu a pha mor hawdd yw torri'r nanotendriliau i ffwrdd o'r wyneb.

Cyhoeddodd partneriaid ORNL arbrofion microsgopeg electron sganio diweddar sy'n goleuo ymddygiad twngsten. Dangosodd un astudiaeth nad oedd twf tendril yn mynd rhagddo mewn unrhyw gyfeiriadedd dewisol. Datgelodd ymchwiliad arall fod ymateb twngsten sy'n wynebu plasma i fflwcs atom heliwm wedi esblygu o nanofuzz ​​yn unig (ar fflwcs isel) i nanofuzz ​​ynghyd â swigod (ar fflwcs uchel).

Teitl y papur cyfredol yw “Morffolegau nanotendrolau twngsten a dyfwyd o dan amlygiad heliwm.”