Ein Fusionsreaktor ist im Wesentlichen eine magnetische Flasche, die die gleichen Prozesse enthält, die in der Sonne ablaufen. Deuterium- und Tritium-Brennstoffe verschmelzen zu einem Dampf aus Heliumionen, Neutronen und Wärme. Während dieses heiße, ionisierte Gas – Plasma genannt – verbrennt, wird diese Wärme auf Wasser übertragen, um Dampf zu erzeugen, der Turbinen antreibt, die Strom erzeugen. Das überhitzte Plasma stellt eine ständige Bedrohung für die Reaktorwand und den Divertor dar (der Abfall aus dem Betriebsreaktor entfernt, um das Plasma heiß genug zum Brennen zu halten).

„Wir versuchen, das grundlegende Verhalten von Plasmamaterialien zu bestimmen, um die Abbaumechanismen besser zu verstehen, damit wir robuste, neue Materialien entwickeln können“, sagte der Materialwissenschaftler Chad Parish vom Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums. Er ist leitender Autor einer Studie in der ZeitschriftWissenschaftliche Berichtedas den Abbau von Wolfram unter reaktorrelevanten Bedingungen untersuchte.

Da Wolfram von allen Metallen den höchsten Schmelzpunkt hat, ist es ein Kandidat für plasmabeschichtete Materialien. Aufgrund seiner Sprödigkeit würde ein kommerzielles Kraftwerk jedoch eher aus einer Wolframlegierung oder einem Verbundwerkstoff bestehen. Unabhängig davon hilft es Ingenieuren, zu lernen, wie sich energiereicher Atombeschuss mikroskopisch auf Wolfram auswirkt, um Kernmaterialien zu verbessern.

„Im Inneren eines Fusionskraftwerks herrscht die brutalste Umgebung, für die Ingenieure jemals Materialien entwerfen mussten“, sagte Parish. „Es ist schlimmer als das Innere eines Düsentriebwerks.“

Forscher untersuchen das Zusammenspiel von Plasma und Maschinenkomponenten, um Materialien herzustellen, die solchen rauen Betriebsbedingungen mehr als gewachsen sind. Die Materialzuverlässigkeit ist ein zentrales Thema bei aktuellen und neuen Nukleartechnologien, das erhebliche Auswirkungen auf die Bau- und Betriebskosten von Kraftwerken hat. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Materialien so zu konstruieren, dass sie über einen langen Lebenszyklus hinweg widerstandsfähig sind.

Für die aktuelle Studie beschossen Forscher der University of California in San Diego Wolfram mit Heliumplasma bei niedriger Energie und ahmten einen Fusionsreaktor unter normalen Bedingungen nach. In der Zwischenzeit nutzten Forscher am ORNL die Multicharged Ion Research Facility, um Wolfram mit hochenergetischen Heliumionen anzugreifen und so seltene Bedingungen zu simulieren, beispielsweise eine Plasmastörung, die eine ungewöhnlich große Energiemenge ablagern könnte.

Mithilfe von Transmissionselektronenmikroskopie, Rastertransmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Elektronennanokristallographie charakterisierten die Wissenschaftler die Entwicklung von Blasen im Wolframkristall sowie die Form und das Wachstum von Strukturen, die „Ranken“ genannt werden, unter Bedingungen niedriger und hoher Energie. Sie schickten die Proben zur Präzessionselektronenbeugung, einer fortschrittlichen Elektronenkristallographietechnik, an eine Firma namens AppFive, um Wachstumsmechanismen unter verschiedenen Bedingungen abzuleiten.

Seit einigen Jahren wissen Wissenschaftler, dass Wolfram auf Plasma reagiert, indem es kristalline Ranken im Maßstab von Milliardstel Metern oder Nanometern bildet – eine Art winziger Rasen. Die aktuelle Studie ergab, dass die Ranken, die durch Beschuss mit geringerer Energie erzeugt wurden, langsamer wuchsen, feiner und glatter waren und einen dichteren Flaumteppich bildeten als solche, die durch Angriffe mit höherer Energie erzeugt wurden.

In Metallen nehmen Atome eine geordnete Strukturanordnung mit definierten Abständen zwischen ihnen an. Wenn ein Atom verschoben wird, bleibt eine leere Stelle oder „Leerstelle“ zurück. Wenn Strahlung wie eine Billardkugel ein Atom von seinem Platz stößt und eine Lücke hinterlässt, muss dieses Atom irgendwohin gehen. Es drängt sich zwischen andere Atome im Kristall und wird zu einem Zwischengitter.

Beim normalen Betrieb eines Fusionsreaktors ist der Divertor einem hohen Fluss von Heliumatomen mit sehr niedriger Energie ausgesetzt. „Ein Heliumion trifft nicht stark genug, um die Kollision mit der Billardkugel auszulösen, also muss es sich in das Gitter schleichen, um Blasen oder andere Defekte zu bilden“, erklärte Parish.

Theoretiker wie Brian Wirth, Vorsitzender des UT-ORNL-Gouverneurs, haben das System modelliert und glauben, dass das Material, das bei der Blasenbildung aus dem Gitter verdrängt wird, zu den Bausteinen von Ranken wird. Heliumatome wandern zufällig durch das Gitter, sagte Parish. Sie stoßen auf andere Heliumatome und schließen sich zusammen. Schließlich ist der Cluster groß genug, um ein Wolframatom von seinem Platz zu stoßen.

„Jedes Mal, wenn die Blase wächst, werden ein paar weitere Wolframatome von ihren Plätzen gestoßen, und sie müssen irgendwohin. Sie werden von der Oberfläche angezogen“, sagte Parish. „Wir glauben, dass dies der Mechanismus ist, durch den sich dieser Nanofussel bildet.“

Computerwissenschaftler führen Simulationen auf Supercomputern durch, um Materialien auf atomarer Ebene oder auf Nanometer- und Nanosekunden-Zeitskalen zu untersuchen. Ingenieure erforschen auf Zentimeterlängen- und Stundenzeitskalen, wie Materialien verspröden, reißen und sich auf andere Weise verhalten, wenn sie längere Zeit Plasma ausgesetzt werden. „Aber dazwischen gab es wenig wissenschaftliche Erkenntnisse“, sagte Parish, dessen Experiment diese Wissenslücke füllte, um die ersten Anzeichen von Materialabbau und die frühen Stadien des Nanotendril-Wachstums zu untersuchen.

Ist Fuzz also gut oder schlecht? „Flaum hat wahrscheinlich sowohl schädliche als auch positive Eigenschaften, aber solange wir nicht mehr darüber wissen, können wir keine Materialien entwickeln, die versuchen, die schlechten zu beseitigen und gleichzeitig die guten hervorzuheben“, sagte Parish. Positiv zu vermerken ist, dass Fuzzy-Wolfram Hitzebelastungen standhalten kann, die zu Rissen in der Masse von Wolfram führen würden, und die Erosion ist bei Fuzzy zehnmal geringer als bei Bulk-Wolfram. Auf der negativen Seite können Nanoranken abbrechen und einen Staub bilden, der Plasma kühlen kann. Das nächste Ziel der Wissenschaftler besteht darin, herauszufinden, wie sich das Material entwickelt und wie einfach es ist, die Nanoranken von der Oberfläche abzubrechen.

Die ORNL-Partner veröffentlichten kürzlich Rasterelektronenmikroskopie-Experimente, die das Verhalten von Wolfram beleuchten. Eine Studie zeigte, dass das Rankenwachstum nicht in irgendeiner bevorzugten Ausrichtung verlief. Eine andere Untersuchung ergab, dass sich die Reaktion von dem Plasma zugewandtem Wolfram auf den Heliumatomfluss von nur Nanofuzz ​​(bei niedrigem Fluss) zu Nanofuzz ​​plus Blasen (bei hohem Fluss) entwickelte.

Der Titel der aktuellen Arbeit lautet „Morphologies of tungsten nanotendrils Growed under helium exposition.“