En fusionsreaktor er i det væsentlige en magnetisk flaske, der indeholder de samme processer, som forekommer i solen. Deuterium- og tritiumbrændstoffer smelter sammen og danner en damp af heliumioner, neutroner og varme. Da denne varme, ioniserede gas - kaldet plasma - brænder, overføres denne varme til vand for at lave damp til at dreje turbiner, der genererer elektricitet. Det overophedede plasma udgør en konstant trussel mod reaktorvæggen og omlederen (som fjerner affald fra den operationelle reaktoren for at holde plasmaet varmt nok til at brænde).

"Vi forsøger at bestemme den grundlæggende adfærd af plasma-vendte materialer med det mål at forstå nedbrydningsmekanismer bedre, så vi kan konstruere robuste, nye materialer," sagde materialeforsker Chad Parish fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Han er seniorforfatter af en undersøgelse i tidsskriftetVidenskabelige rapporterder udforskede nedbrydning af wolfram under reaktor-relevante forhold.

Fordi wolfram har det højeste smeltepunkt af alle metaller, er det en kandidat til plasma-vendte materialer. På grund af dets skørhed ville et kommercielt kraftværk dog mere sandsynligt være lavet af en wolframlegering eller komposit. Uanset, at lære om, hvordan energisk atombombardement påvirker wolfram mikroskopisk hjælper ingeniører med at forbedre nukleare materialer.

"Inde i et fusionskraftværk er det mest brutale miljø, ingeniører nogensinde er blevet bedt om at designe materialer til," sagde Parish. "Det er værre end det indre af en jetmotor."

Forskere studerer samspillet mellem plasma og maskinkomponenter for at fremstille materialer, der er mere end et match til sådanne barske driftsforhold. Materialepålidelighed er et nøglespørgsmål med nuværende og nye nukleare teknologier, som har en betydelig indvirkning på konstruktions- og driftsomkostningerne for kraftværker. Så det er afgørende at konstruere materialer for at sikre hårdførhed over lange livscyklusser.

Til den aktuelle undersøgelse bombarderede forskere ved University of California, San Diego, wolfram med heliumplasma ved lavenergi, hvilket efterlignede en fusionsreaktor under normale forhold. I mellemtiden brugte forskere ved ORNL Multicharged Ion Research Facility til at angribe wolfram med højenergiske heliumioner, der emulerede sjældne forhold, såsom en plasmaforstyrrelse, der kan afsætte en unormalt stor mængde energi.

Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, scanningstransmissionselektronmikroskopi, scanningselektronmikroskopi og elektronnanokrystallografi karakteriserede forskerne udviklingen af ​​bobler i wolframkrystallen og formen og væksten af ​​strukturer kaldet "ranker" under lav- og højenergiforhold. De sendte prøverne til et firma kaldet AppFive til præcessionselektrondiffraktion, en avanceret elektronkrystallografiteknik, for at udlede vækstmekanismer under forskellige forhold.

I et par år har videnskabsmænd vidst, at wolfram reagerer på plasma ved at danne krystallinske ranker på størrelsesordenen milliardtedele af en meter eller nanometer - en slags lille græsplæne. Den aktuelle undersøgelse opdagede, at ranker produceret ved lavenergibombardement var langsommere voksende, finere og glattere - og dannede et tættere tæppe af fuzz - end dem, der blev skabt ved angreb med højere energi.

I metaller antager atomer et ordnet strukturelt arrangement med definerede mellemrum mellem dem. Hvis et atom fortrænges, forbliver et tomt sted eller "ledig plads". Hvis stråling, som en billardkugle, slår et atom væk fra dets sted og efterlader en ledig plads, skal det atom gå et sted hen. Det propper sig mellem andre atomer i krystallen og bliver til et mellemliggende.

Normal drift af fusionsreaktorer udsætter divertoren for en høj flux af heliumatomer med meget lav energi. "En heliumion rammer ikke hårdt nok til at kollision med billardkugle, så den skal snige sig ind i gitteret for at begynde at danne bobler eller andre defekter," forklarede Parish.

Teoretikere som Brian Wirth, en UT-ORNL-guvernørstol, har modelleret systemet og mener, at det materiale, der forskydes fra gitteret, når der dannes bobler, bliver byggestenene til ranker. Heliumatomer vandrer rundt i gitteret tilfældigt, sagde Parish. De støder ind i andre heliums og slår sig sammen. Til sidst er klyngen stor nok til at slå et wolframatom væk fra dets sted.

"Hver gang boblen vokser, skubber den et par flere wolframatomer væk fra deres steder, og de skal et sted hen. De vil blive tiltrukket af overfladen,” sagde Parish. "Det, tror vi, er den mekanisme, hvorved denne nanofuzz ​​dannes."

Beregningsforskere kører simuleringer på supercomputere for at studere materialer på deres atomare niveau, eller nanometerstørrelse og nanosekunders tidsskalaer. Ingeniører udforsker, hvordan materialer bliver skøre, revner og på anden måde opfører sig efter lang eksponering for plasma, på centimeterlængde og timetidsskalaer. "Men der var lidt videnskab imellem," sagde Parish, hvis eksperiment udfyldte dette videnshul for at studere de første tegn på materialenedbrydning og de tidlige stadier af nanotendrilvækst.

Så er fuzz godt eller dårligt? "Fuzz har sandsynligvis både skadelige og gavnlige egenskaber, men indtil vi ved mere om det, kan vi ikke konstruere materialer til at forsøge at eliminere det dårlige og samtidig fremhæve det gode," sagde Parish. På den positive side kan fuzzy wolfram tage varmebelastninger, der ville knække bulk wolfram, og erosion er 10 gange mindre i fuzzy end bulk wolfram. På minussiden kan nanotendrils knække af og danne et støv, der kan afkøle plasma. Forskernes næste mål er at lære, hvordan materialet udvikler sig, og hvor nemt det er at bryde nanotendrilerne væk fra overfladen.

ORNL-partnerne offentliggjorde nylige scanningselektronmikroskopiske eksperimenter, der belyser wolframadfærd. En undersøgelse viste, at slyngevækst ikke forløb i nogen foretrukken orientering. En anden undersøgelse afslørede, at reaktionen fra plasma-vendt wolfram til heliumatomflux udviklede sig fra kun nanofuzz ​​(ved lav flux) til nanofuzz ​​plus bobler (ved høj flux).

Titlen på det aktuelle papir er "Morfologier af wolfram nanotendriller dyrket under heliumeksponering."