Termotuumasünteesi reaktor on sisuliselt magnetpudel, mis sisaldab samu protsesse, mis toimuvad päikese käes. Deuteeriumi ja triitiumi kütused sulanduvad, moodustades heeliumioonide, neutronite ja soojuse auru. Kui see kuum, ioniseeritud gaas, mida nimetatakse plasmaks, põleb, kandub see soojus vette, et saada auruks elektrit tootvaid turbiine. Ülekuumutatud plasma kujutab endast pidevat ohtu reaktori seinale ja diverterile (mis eemaldab töötavast reaktorist jäätmed, et hoida plasma põlemiseks piisavalt kuumana).

"Püüame kindlaks teha plasmaga kokku puutuvate materjalide põhikäitumise, et paremini mõista lagunemismehhanisme, et saaksime luua tugevaid ja uusi materjale," ütles materjaliteadlane Chad Parish energeetikaministeeriumi Oak Ridge'i riiklikust laborist. Ta on ajakirjas ilmunud uurimuse vanemautorTeaduslikud aruandedmis uuris volframi lagunemist reaktori jaoks olulistes tingimustes.

Kuna volframil on kõigist metallidest kõrgeim sulamistemperatuur, on see plasmaga kaetud materjalide kandidaat. Oma rabeduse tõttu oleks aga kaubanduslik elektrijaam tõenäoliselt valmistatud volframisulamist või komposiitmaterjalist. Sellest hoolimata aitab inseneridel tuumamaterjale täiustada, kui õppida, kuidas energeetiline aatomipommitamine volframi mikroskoopiliselt mõjutab.

"Tuumasünteesielektrijaama sees on kõige jõhkram keskkond, mille jaoks inseneridel on kunagi materjale kavandatud," ütles Parish. "See on hullem kui reaktiivmootori sisemus."

Teadlased uurivad plasma ja masinakomponentide koostoimet, et valmistada materjale, mis on sellistes karmides töötingimustes rohkem kui sobivad. Materjalide töökindlus on praeguste ja uute tuumatehnoloogiate võtmeküsimus, millel on oluline mõju elektrijaamade ehitus- ja tegevuskuludele. Seetõttu on ülioluline konstrueerida materjalide vastupidavust pika elutsükli jooksul.

Praeguse uuringu jaoks pommitasid San Diego California ülikooli teadlased volframi heeliumiplasmaga madala energiaga, imiteerides normaalsetes tingimustes termotuumasünteesi reaktorit. Samal ajal kasutasid ORNL-i teadlased Multicharged Ion Research Facilityt, et rünnata volframi kõrge energiaga heeliumioonidega, mis jäljendasid haruldasi tingimusi, nagu plasmakatkestus, mis võib ladestuda ebaharilikult suurel hulgal energiat.

Kasutades transmissioonielektronmikroskoopiat, skaneerivat transmissioonelektronmikroskoopiat, skaneerivat elektronmikroskoopiat ja elektron-nanokristallograafiat, iseloomustasid teadlased mullide teket volframkristallides ning struktuuride, mida nimetatakse "kõõlusteks", kuju ja kasvu madala ja kõrge energiaga tingimustes. Nad saatsid proovid ettevõttele AppFive pretsessioonielektronide difraktsiooni jaoks, mis on täiustatud elektronkristallograafia tehnika, et järeldada kasvumehhanisme erinevates tingimustes.

Teadlased on juba paar aastat teadnud, et volfram reageerib plasmale, moodustades meetri miljardite ehk nanomeetrite skaalas kristalseid kõõluseid – omamoodi pisikese muruplatsi. Praegune uuring avastas, et madalama energiatarbega pommitamisel tekkinud kõõlused olid aeglasemalt kasvavad, peenemad ja siledamad – moodustades tihedama uduvaiba – kui need, mis tekkisid suurema energiatarbega rünnakul.

Metallides eeldavad aatomid korrapärast struktuurilist paigutust, mille vahel on määratletud tühikud. Kui aatom nihutatakse, jääb tühi koht ehk "vaba koht". Kui kiirgus, nagu piljardikuul, lööb aatomi oma asukohast välja ja jätab vaba koha, peab see aatom kuhugi minema. See surub end kristallis teiste aatomite vahele, muutudes vahekihiks.

Termotuumasünteesi reaktori normaalne töötamine avaldab divertorile väga madala energiatarbega heeliumi aatomite suurt voogu. "Heeliumiioon ei löö piljardipalli kokkupõrke tegemiseks piisavalt tugevalt, nii et see peab võre sisse hiilima, et hakata moodustama mullid või muid defekte," selgitas Parish.

Teoreetikud, nagu UT-ORNLi juhataja Brian Wirth, on süsteemi modelleerinud ja usuvad, et materjal, mis mullide moodustumisel võrest välja nihkub, muutub kõõluste ehitusplokkideks. Heeliumi aatomid rändavad võre ümber juhuslikult, ütles Parish. Nad põrkuvad teiste heeliumitega ja ühendavad jõud. Lõpuks on kobar piisavalt suur, et volframi aatomit oma asukohast välja lüüa.

"Iga kord, kui mull kasvab, lükkab see veel paar volframiaatomit oma asukohtadest eemale ja nad peavad kuhugi minema. Neid meelitab pind,” ütles Parish. "Usume, et see on mehhanism, mille abil see nanofuzz ​​moodustub."

Arvutusteadlased käitavad superarvutites simulatsioone, et uurida materjale nende aatomitasemel või nanomeetri suuruse ja nanosekundi ajaskaalal. Insenerid uurivad, kuidas materjalid hapraks lähevad, pragunevad ja muul viisil käituvad pärast pikka plasmaga kokkupuudet sentimeetri pikkuse ja tunni ajaskaalal. "Kuid vahepeal oli vähe teadust," ütles Parish, kelle katse täitis selle teadmiste lünga, et uurida esimesi märke materjali lagunemisest ja nanotõõluste kasvu varajastest etappidest.

Kas fuzz on siis hea või halb? "Tõenäoliselt on fuzzil nii kahjulikke kui ka kasulikke omadusi, kuid enne, kui me pole sellest rohkem teada saanud, ei saa me projekteerida materjale, mis prooviksid kõrvaldada halbu, rõhutades samal ajal head," ütles Parish. Positiivne on see, et udune volfram võib võtta soojuskoormust, mis purustaks volframi, ja erosioon on 10 korda väiksem kui volfram. Miinuspoolel võivad nanotõõlused puruneda, moodustades tolmu, mis võib plasmat jahutada. Teadlaste järgmine eesmärk on õppida, kuidas materjal areneb ja kui lihtne on nanotõõsaid pinnalt lahti murda.

ORNL-i partnerid avaldasid hiljutised skaneeriva elektronmikroskoopia katsed, mis valgustavad volframi käitumist. Üks uuring näitas, et kõõluste kasv ei kulgenud üheski eelistatud orientatsioonis. Veel üks uurimine näitas, et plasmaga suunatud volframi reaktsioon heeliumi aatomi voolule arenes ainult nanofuzzist (madala voo korral) nanofuzzi pluss mullideni (suure voo korral).

Käesoleva artikli pealkiri on "Heeliumiga kokkupuutel kasvatatud volframnanoõõneste morfoloogiad".