Un reactor de fusión es esencialmente una botella magnética que contiene los mismos procesos que ocurren en el sol. Los combustibles de deuterio y tritio se fusionan para formar un vapor de iones de helio, neutrones y calor. A medida que este gas ionizado caliente, llamado plasma, se quema, ese calor se transfiere al agua para producir vapor que hace girar las turbinas que generan electricidad. El plasma sobrecalentado representa una amenaza constante para la pared del reactor y el desviador (que elimina los desechos del reactor en funcionamiento para mantener el plasma lo suficientemente caliente como para arder).

"Estamos tratando de determinar el comportamiento fundamental de los materiales que se enfrentan al plasma con el objetivo de comprender mejor los mecanismos de degradación para que podamos diseñar materiales nuevos y robustos", dijo el científico de materiales Chad Parish del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía. Es autor principal de un estudio en la revista.Informes Científicosque exploró la degradación del tungsteno en condiciones relevantes para el reactor.

Debido a que el tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, es un candidato para materiales de revestimiento de plasma. Sin embargo, debido a su fragilidad, es más probable que una central eléctrica comercial esté hecha de una aleación o un compuesto de tungsteno. De todos modos, aprender cómo el bombardeo atómico energético afecta microscópicamente al tungsteno ayuda a los ingenieros a mejorar los materiales nucleares.

"Dentro de una planta de energía de fusión se encuentra el entorno más brutal para el que jamás se haya pedido a los ingenieros que diseñen materiales", dijo Parish. "Es peor que el interior de un motor a reacción".

Los investigadores están estudiando la interacción del plasma y los componentes de la máquina para fabricar materiales que sean más que compatibles con condiciones operativas tan duras. La confiabilidad de los materiales es una cuestión clave en las tecnologías nucleares actuales y nuevas que tiene un impacto significativo en los costos de construcción y operación de las centrales eléctricas. Por lo tanto, es fundamental diseñar materiales que sean resistentes durante ciclos de vida prolongados.

Para el estudio actual, investigadores de la Universidad de California en San Diego bombardearon tungsteno con plasma de helio a baja energía, imitando un reactor de fusión en condiciones normales. Mientras tanto, los investigadores del ORNL utilizaron el Centro de Investigación de Iones Multicargados para atacar el tungsteno con iones de helio de alta energía emulando condiciones raras, como una alteración del plasma que podría depositar una cantidad anormalmente grande de energía.

Utilizando microscopía electrónica de transmisión, microscopía electrónica de transmisión de barrido, microscopía electrónica de barrido y nanocristalografía electrónica, los científicos caracterizaron la evolución de las burbujas en el cristal de tungsteno y la forma y el crecimiento de estructuras llamadas "zarcillos" en condiciones de alta y baja energía. Enviaron las muestras a una empresa llamada AppFive para la difracción de electrones de precesión, una técnica avanzada de cristalografía electrónica, para inferir mecanismos de crecimiento en diferentes condiciones.

Desde hace unos años, los científicos saben que el tungsteno responde al plasma formando zarcillos cristalinos en la escala de milmillonésimas de metro, o nanómetros, una especie de césped diminuto. El estudio actual descubrió que los zarcillos producidos por bombardeos de menor energía crecían más lentamente, eran más finos y suaves (formando una alfombra de pelusa más densa) que los creados por ataques de mayor energía.

En los metales, los átomos asumen una disposición estructural ordenada con espacios definidos entre ellos. Si se desplaza un átomo, queda un sitio vacío o “vacante”. Si la radiación, como una bola de billar, saca a un átomo de su sitio y deja un vacío, ese átomo tiene que ir a alguna parte. Se aprieta entre otros átomos del cristal, convirtiéndose en un intersticial.

El funcionamiento normal del reactor de fusión expone el desviador a un alto flujo de átomos de helio de muy baja energía. "Un ion de helio no golpea con suficiente fuerza como para provocar la colisión de la bola de billar, por lo que tiene que colarse en la red para comenzar a formar burbujas u otros defectos", explicó Parish.

Teóricos como Brian Wirth, presidente del gobernador de UT-ORNL, han modelado el sistema y creen que el material que se desplaza de la red cuando se forman burbujas se convierte en los componentes básicos de los zarcillos. Los átomos de helio deambulan aleatoriamente alrededor de la red, dijo Parish. Chocan con otros helios y unen fuerzas. Al final, el cúmulo es lo suficientemente grande como para expulsar un átomo de tungsteno de su sitio.

“Cada vez que la burbuja crece, empuja a un par de átomos de tungsteno más fuera de sus sitios, y tienen que ir a alguna parte. Se sentirán atraídos hacia la superficie”, dijo Parish. "Creemos que ese es el mecanismo por el cual se forma esta nanopelusa".

Los científicos computacionales realizan simulaciones en supercomputadoras para estudiar materiales a su nivel atómico, o tamaño nanométrico y escalas de tiempo de nanosegundos. Los ingenieros exploran cómo los materiales se vuelven quebradizos, se agrietan y se comportan de otro modo después de una exposición prolongada al plasma, en escalas de centímetros de longitud y de horas. "Pero había poca ciencia en el medio", dijo Parish, cuyo experimento llenó este vacío de conocimiento para estudiar los primeros signos de degradación del material y las primeras etapas del crecimiento de los nanotendriles.

Entonces, ¿el fuzz es bueno o malo? "Es probable que la pelusa tenga propiedades tanto perjudiciales como beneficiosas, pero hasta que sepamos más sobre ella, no podemos diseñar materiales para tratar de eliminar lo malo y al mismo tiempo acentuar lo bueno", dijo Parish. En el lado positivo, el tungsteno difuso podría soportar cargas de calor que agrietarían el tungsteno en bruto, y la erosión es 10 veces menor en el tungsteno difuso que en el tungsteno en bruto. En el lado negativo, los nanozarcillos pueden desprenderse y formar un polvo que puede enfriar el plasma. El próximo objetivo de los científicos es aprender cómo evoluciona el material y qué tan fácil es separar los nanozarcillos de la superficie.

Los socios de ORNL publicaron experimentos recientes con microscopía electrónica de barrido que iluminan el comportamiento del tungsteno. Un estudio mostró que el crecimiento del zarcillo no se produjo en ninguna orientación preferida. Otra investigación reveló que la respuesta del tungsteno frente al plasma al flujo de átomos de helio evolucionó desde nanofuzz ​​únicamente (con bajo flujo) a nanofuzz ​​más burbujas (con alto flujo).

El título del artículo actual es "Morfologías de nanozarcillos de tungsteno cultivados bajo exposición a helio".