Ένας αντιδραστήρας σύντηξης είναι ουσιαστικά ένα μαγνητικό μπουκάλι που περιέχει τις ίδιες διεργασίες που συμβαίνουν στον ήλιο. Τα καύσιμα δευτερίου και τριτίου συντήκονται για να σχηματίσουν έναν ατμό ιόντων ηλίου, νετρονίων και θερμότητας. Καθώς αυτό το καυτό, ιονισμένο αέριο - που ονομάζεται πλάσμα - καίγεται, αυτή η θερμότητα μεταφέρεται στο νερό για να δημιουργήσει ατμό για να μετατρέψει τουρμπίνες που παράγουν ηλεκτρισμό. Το υπερθερμασμένο πλάσμα αποτελεί συνεχή απειλή για το τοίχωμα του αντιδραστήρα και τον εκτροπέα (ο οποίος απομακρύνει τα απόβλητα από τον αντιδραστήρα λειτουργίας για να κρατήσει το πλάσμα αρκετά ζεστό ώστε να καεί).

«Προσπαθούμε να προσδιορίσουμε τη θεμελιώδη συμπεριφορά των υλικών που αντιμετωπίζουν το πλάσμα με στόχο την καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών αποδόμησης, ώστε να μπορέσουμε να δημιουργήσουμε ισχυρά, νέα υλικά», δήλωσε ο επιστήμονας υλικών Chad Parish του Εθνικού Εργαστηρίου Oak Ridge του Τμήματος Ενέργειας. Είναι ανώτερος συγγραφέας μιας μελέτης στο περιοδικόΕπιστημονικές Εκθέσειςπου διερεύνησε την αποδόμηση του βολφραμίου υπό συνθήκες σχετικές με τον αντιδραστήρα.

Επειδή το βολφράμιο έχει το υψηλότερο σημείο τήξης από όλα τα μέταλλα, είναι υποψήφιο για υλικά με όψη πλάσματος. Λόγω της ευθραυστότητάς του, ωστόσο, ένας εμπορικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής είναι πιο πιθανό να είναι κατασκευασμένος από κράμα βολφραμίου ή σύνθετο υλικό. Ανεξάρτητα από αυτό, η εκμάθηση για το πώς ο ενεργητικός ατομικός βομβαρδισμός επηρεάζει το βολφράμιο μικροσκοπικά βοηθά τους μηχανικούς να βελτιώσουν τα πυρηνικά υλικά.

«Μέσα σε ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας σύντηξης βρίσκεται το πιο βάναυσο περιβάλλον που έχουν ζητηθεί ποτέ από μηχανικούς να σχεδιάσουν υλικά», είπε η Parish. «Είναι χειρότερο από το εσωτερικό ενός κινητήρα τζετ».

Οι ερευνητές μελετούν την αλληλεπίδραση πλάσματος και εξαρτημάτων μηχανής για να φτιάξουν υλικά που ταιριάζουν περισσότερο με τέτοιες σκληρές συνθήκες λειτουργίας. Η αξιοπιστία των υλικών είναι ένα βασικό ζήτημα με τις τρέχουσες και τις νέες πυρηνικές τεχνολογίες που έχει σημαντικό αντίκτυπο στο κόστος κατασκευής και λειτουργίας των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής. Επομένως, είναι κρίσιμο να κατασκευαστούν υλικά για ανθεκτικότητα σε μεγάλους κύκλους ζωής.

Για την τρέχουσα μελέτη, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, βομβάρδισαν βολφράμιο με πλάσμα ηλίου σε χαμηλή ενέργεια, μιμούμενοι έναν αντιδραστήρα σύντηξης υπό κανονικές συνθήκες. Εν τω μεταξύ, ερευνητές στο ORNL χρησιμοποίησαν την Ερευνητική Εγκατάσταση Multicharged Ion για να επιτεθούν στο βολφράμιο με ιόντα ηλίου υψηλής ενέργειας που μιμούνται σπάνιες συνθήκες, όπως μια διαταραχή του πλάσματος που μπορεί να εναποθέσει μια ασυνήθιστα μεγάλη ποσότητα ενέργειας.

Χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης, ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης σάρωσης, ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης και νανοκρυσταλλογραφία ηλεκτρονίων, οι επιστήμονες χαρακτήρισαν την εξέλιξη των φυσαλίδων στον κρύσταλλο βολφραμίου και το σχήμα και την ανάπτυξη δομών που ονομάζονται «τρύλλοι» κάτω από συνθήκες χαμηλής και υψηλής ενέργειας. Έστειλαν τα δείγματα σε μια εταιρεία που ονομάζεται AppFive για διάθλαση ηλεκτρονίων μετάπτωσης, μια προηγμένη τεχνική κρυσταλλογραφίας ηλεκτρονίων, για να συμπεράνουν μηχανισμούς ανάπτυξης κάτω από διαφορετικές συνθήκες.

Για μερικά χρόνια οι επιστήμονες γνώριζαν ότι το βολφράμιο ανταποκρίνεται στο πλάσμα σχηματίζοντας κρυσταλλικούς έλικες στην κλίμακα των δισεκατομμυριοστών του μέτρου, ή νανόμετρα - ένα μικροσκοπικό γκαζόν. Η τρέχουσα μελέτη ανακάλυψε ότι οι έλικες που παράγονται από βομβαρδισμό χαμηλότερης ενέργειας αναπτύσσονταν πιο αργά, λεπτότερα και ομαλότερα - σχηματίζοντας ένα πιο πυκνό χαλί θολούρα - από εκείνα που δημιουργήθηκαν από επίθεση υψηλότερης ενέργειας.

Στα μέταλλα, τα άτομα λαμβάνουν μια τακτική δομική διάταξη με καθορισμένους χώρους μεταξύ τους. Εάν ένα άτομο μετατοπιστεί, παραμένει μια κενή τοποθεσία ή "κενή θέση". Εάν η ακτινοβολία, όπως μια μπάλα του μπιλιάρδου, γκρεμίσει ένα άτομο από τη θέση του και αφήσει μια κενή θέση, αυτό το άτομο πρέπει να πάει κάπου. Στιβάζεται μεταξύ άλλων ατόμων στον κρύσταλλο και γίνεται διάμεσος.

Η κανονική λειτουργία του αντιδραστήρα σύντηξης εκθέτει τον εκτροπέα σε υψηλή ροή ατόμων ηλίου πολύ χαμηλής ενέργειας. «Ένα ιόν ηλίου δεν χτυπά αρκετά δυνατά για να κάνει τη σύγκρουση της μπάλας του μπιλιάρδου, επομένως πρέπει να μπει κρυφά στο πλέγμα για να αρχίσει να σχηματίζει φυσαλίδες ή άλλα ελαττώματα», εξήγησε ο Πάρις.

Θεωρητικοί όπως ο Brian Wirth, ένας Πρόεδρος του Κυβερνήτη του UT-ORNL, έχουν μοντελοποιήσει το σύστημα και πιστεύουν ότι το υλικό που μετατοπίζεται από το πλέγμα όταν σχηματίζονται φυσαλίδες γίνεται τα δομικά στοιχεία των έλικες. Τα άτομα ηλίου περιφέρονται γύρω από το πλέγμα τυχαία, είπε η Parish. Προσκρούουν σε άλλα ήλιο και ενώνουν τις δυνάμεις τους. Τελικά το σύμπλεγμα είναι αρκετά μεγάλο για να χτυπήσει ένα άτομο βολφραμίου από τη θέση του.

«Κάθε φορά που η φούσκα μεγαλώνει, σπρώχνει μερικά ακόμη άτομα βολφραμίου από τις θέσεις τους και πρέπει να πάνε κάπου. Θα έλκονται από την επιφάνεια», είπε η Πάρις. "Αυτός, πιστεύουμε, είναι ο μηχανισμός με τον οποίο σχηματίζεται αυτό το νανοfuzz."

Οι υπολογιστικοί επιστήμονες εκτελούν προσομοιώσεις σε υπερυπολογιστές για να μελετήσουν υλικά στο ατομικό τους επίπεδο ή σε μέγεθος νανομέτρων και σε χρονικές κλίμακες νανοδευτερόλεπτου. Οι μηχανικοί διερευνούν πώς τα υλικά είναι εύθραυστα, ραγίζουν και συμπεριφέρονται με άλλο τρόπο μετά από μακρά έκθεση στο πλάσμα, σε κλίμακες μήκους εκατοστών και ώρας. «Αλλά υπήρχε λίγη επιστήμη στο ενδιάμεσο», είπε ο Parish, του οποίου το πείραμα κάλυψε αυτό το κενό γνώσης για να μελετήσει τα πρώτα σημάδια υποβάθμισης των υλικών και τα πρώιμα στάδια της ανάπτυξης νανοτριλιών.

Είναι λοιπόν το fuzz καλό ή κακό; "Το Fuzz είναι πιθανό να έχει τόσο επιζήμιες όσο και ευεργετικές ιδιότητες, αλλά μέχρι να μάθουμε περισσότερα γι 'αυτό, δεν μπορούμε να κατασκευάσουμε υλικά για να προσπαθήσουμε να εξαλείψουμε το κακό ενώ τονίζουμε το καλό", είπε η Parish. Από τη θετική πλευρά, το ασαφές βολφράμιο μπορεί να λάβει θερμικά φορτία που θα σπάσουν χύμα βολφράμιο και η διάβρωση είναι 10 φορές μικρότερη στο ασαφές από το χύμα βολφράμιο. Από την αρνητική πλευρά, τα νανοτρύλια μπορούν να σπάσουν, σχηματίζοντας μια σκόνη που μπορεί να ψύχει το πλάσμα. Ο επόμενος στόχος των επιστημόνων είναι να μάθουν πώς εξελίσσεται το υλικό και πόσο εύκολο είναι να σπάσουν τα νανοτρύλλια μακριά από την επιφάνεια.

Οι συνεργάτες του ORNL δημοσίευσαν πρόσφατα πειράματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης που φωτίζουν τη συμπεριφορά βολφραμίου. Μια μελέτη έδειξε ότι η ανάπτυξη των τρυγών δεν προχώρησε σε κανέναν προτιμώμενο προσανατολισμό. Μια άλλη έρευνα αποκάλυψε ότι η απόκριση του βολφραμίου που βλέπει στο πλάσμα στη ροή του ατόμου ηλίου εξελίχθηκε από νανοfuzz μόνο (σε χαμηλή ροή) σε νανοfuzz συν φυσαλίδες (σε υψηλή ροή).

Ο τίτλος της παρούσας εργασίας είναι «Μορφολογίες νανοτρύλων βολφραμίου που αναπτύσσονται υπό έκθεση σε ήλιο».