یک راکتور همجوشی اساساً یک بطری مغناطیسی است که حاوی همان فرآیندهایی است که در خورشید رخ می دهد. سوخت‌های دوتریوم و تریتیوم با هم ترکیب می‌شوند و بخار یون‌های هلیم، نوترون‌ها و گرما را تشکیل می‌دهند. همانطور که این گاز داغ و یونیزه - که پلاسما نامیده می شود - می سوزد، آن گرما به آب منتقل می شود تا بخار تولید کند تا توربین هایی که برق تولید می کنند بچرخانند. پلاسمای فوق‌گرم شده تهدیدی دائمی برای دیواره راکتور و دیورتور (که زباله‌ها را از راکتور فعال خارج می‌کند تا پلاسما را به اندازه‌ای گرم نگه دارد که بسوزد) را تهدید می‌کند.

چاد پریش، دانشمند مواد از آزمایشگاه ملی اوک ریج، گفت: «ما در تلاش هستیم تا رفتار اساسی مواد رو به پلاسما را با هدف درک بهتر مکانیسم‌های تخریب تعیین کنیم تا بتوانیم مواد قوی و جدید را مهندسی کنیم. او نویسنده ارشد یک مطالعه در این مجله استگزارش های علمیکه تخریب تنگستن را در شرایط مربوط به راکتور بررسی کرد.

از آنجایی که تنگستن بالاترین نقطه ذوب را در بین تمام فلزات دارد، کاندیدای مواد رو به پلاسما است. با این حال، به دلیل شکنندگی آن، یک نیروگاه تجاری به احتمال زیاد از آلیاژ تنگستن یا کامپوزیت ساخته شده است. صرف نظر از این، یادگیری در مورد چگونگی تأثیر بمباران اتمی پرانرژی بر تنگستن به صورت میکروسکوپی به مهندسان کمک می کند تا مواد هسته ای را بهبود بخشند.

پریش گفت: "در داخل یک نیروگاه همجوشی وحشیانه ترین محیطی است که از مهندسان خواسته شده تا موادی را برای آن طراحی کنند." "این بدتر از فضای داخلی یک موتور جت است."

محققان در حال مطالعه برهمکنش پلاسما و اجزای ماشین هستند تا موادی را بسازند که برای چنین شرایط عملیاتی سختی همخوانی ندارند. قابلیت اطمینان مواد یک مسئله کلیدی در فناوری های هسته ای فعلی و جدید است که تأثیر قابل توجهی بر هزینه های ساخت و بهره برداری نیروگاه ها دارد. بنابراین مهندسی مواد برای استحکام در طول چرخه عمر طولانی بسیار مهم است.

برای مطالعه کنونی، محققان دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، تنگستن را با پلاسمای هلیوم با انرژی کم بمباران کردند و از یک راکتور همجوشی در شرایط عادی تقلید کردند. در همین حال، محققان ORNL از تأسیسات تحقیقاتی یون چندشارژ برای حمله به تنگستن با یون‌های هلیوم پرانرژی که شرایط نادری را شبیه‌سازی می‌کنند، استفاده کردند، مانند اختلال در پلاسما که ممکن است مقدار غیرطبیعی زیادی انرژی ذخیره کند.

دانشمندان با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری، میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی، میکروسکوپ الکترونی روبشی و نانوکریستالوگرافی الکترونی، تکامل حباب‌ها در کریستال تنگستن و شکل و رشد ساختارهایی به نام «تندریل» را در شرایط کم و پر انرژی توصیف کردند. آنها نمونه ها را به شرکتی به نام AppFive برای پراش الکترون تقدمی، یک تکنیک بلور نگاری الکترونی پیشرفته، فرستادند تا مکانیسم های رشد را در شرایط مختلف استنتاج کنند.

چند سالی است که دانشمندان می‌دانند که تنگستن با تشکیل پیچک‌های کریستالی در مقیاس یک میلیاردم متر یا نانومتر به پلاسما واکنش نشان می‌دهد. مطالعه حاضر نشان داد که پیچک‌های تولید شده توسط بمباران با انرژی پایین‌تر رشد کندتر، ظریف‌تر و صاف‌تر دارند - و فرش متراکم‌تری از فاز را تشکیل می‌دهند - نسبت به آنهایی که توسط حمله با انرژی بالاتر ایجاد می‌شوند.

در فلزات، اتم ها یک آرایش ساختاری منظم با فضاهای مشخص بین آنها را به خود می گیرند. اگر یک اتم جابجا شود، یک مکان خالی یا "جای خالی" باقی می ماند. اگر تشعشع، مانند توپ بیلیارد، یک اتم را از محل خود جدا کند و جای خالی باقی بگذارد، آن اتم باید به جایی برود. خود را بین اتم های دیگر در کریستال جمع می کند و به یک بینابینی تبدیل می شود.

عملکرد معمولی راکتور همجوشی، دیورتور را در معرض شار بالایی از اتم های هلیوم کم انرژی قرار می دهد. پریش توضیح داد: «یون هلیوم به اندازه کافی برای برخورد توپ بیلیارد ضربه نمی زند، بنابراین باید به صورت مخفیانه وارد شبکه شود تا شروع به تشکیل حباب یا نقص های دیگر کند.

نظریه‌پردازانی مانند برایان ویرث، رئیس UT-ORNL، سیستم را مدل‌سازی کرده‌اند و معتقدند که ماده‌ای که با تشکیل حباب‌ها از شبکه جابجا می‌شود، به بلوک‌های سازنده پیچک‌ها تبدیل می‌شود. پریش گفت اتم های هلیوم به طور تصادفی در اطراف شبکه پرسه می زنند. آنها به هلیوم های دیگر برخورد کرده و به نیروها می پیوندند. در نهایت این خوشه به اندازه ای بزرگ می شود که یک اتم تنگستن را از محل خود جدا کند.

هر بار که حباب بزرگ می‌شود، چند اتم تنگستن دیگر را از محل‌هایشان خارج می‌کند و آنها باید به جایی بروند. آنها به سطح جذب خواهند شد.» پریش گفت. ما معتقدیم که این مکانیسمی است که توسط آن این نانوفاز شکل می گیرد.

دانشمندان محاسباتی شبیه‌سازی‌هایی را بر روی ابررایانه‌ها اجرا می‌کنند تا مواد را در سطح اتمی، یا اندازه نانومتر و مقیاس‌های زمانی نانوثانیه مطالعه کنند. مهندسان بررسی می‌کنند که چگونه مواد پس از قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در معرض پلاسما، در مقیاس‌های زمانی سانتی‌متری و ساعتی، شکننده، ترک می‌خورند و رفتار دیگری از خود نشان می‌دهند. پریش که آزمایشش این شکاف دانش را برای مطالعه اولین نشانه های تخریب مواد و مراحل اولیه رشد نانولوله ها پر کرد، گفت: "اما علم کمی در این بین وجود داشت."

بنابراین fuzz خوب است یا بد؟ پریش گفت: «فوز احتمالاً دارای خواص مضر و مفید است، اما تا زمانی که بیشتر در مورد آن ندانیم، نمی‌توانیم موادی را مهندسی کنیم که سعی کنیم بدی‌ها را از بین ببریم و در عین حال بر خوبی‌ها تأکید کنیم». از طرفی، تنگستن فازی ممکن است بارهای گرمایی را تحمل کند که باعث شکسته شدن تنگستن حجیم شود و فرسایش در حالت فازی 10 برابر کمتر از تنگستن فله است. از طرفی، نانوتندریل ها می توانند شکسته شوند و غباری را تشکیل دهند که می تواند پلاسما را خنک کند. هدف بعدی دانشمندان این است که بیاموزند چگونه مواد تکامل می‌یابند و چگونه می‌توان نانوتندریل‌ها را از سطح جدا کرد.

شرکای ORNL آزمایش‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی اخیر را منتشر کردند که رفتار تنگستن را روشن می‌کند. یک مطالعه نشان داد که رشد پیچک در هیچ جهت ترجیحی پیش نمی رود. بررسی دیگری نشان داد که پاسخ تنگستن رو به پلاسما به شار اتم هلیوم فقط از نانوفاز (در شار کم) به حباب نانوفازی به علاوه (در شار زیاد) تکامل یافته است.

عنوان مقاله کنونی «مورفولوژی نانوتندریل‌های تنگستن که تحت قرار گرفتن در معرض هلیوم رشد می‌کنند» است.