Fuusioreaktori on pohjimmiltaan magneettinen pullo, joka sisältää samoja prosesseja kuin auringossa. Deuterium- ja tritiumpolttoaineet sulautuvat muodostaen heliumionien, neutronien ja lämmön höyryn. Kun tämä kuuma, ionisoitu kaasu, jota kutsutaan plasmaksi, palaa, lämpö siirtyy veteen höyryn muodostamiseksi sähköä tuottavien turbiinien kääntämiseksi. Tulistettu plasma muodostaa jatkuvan uhan reaktorin seinälle ja divertterille (joka poistaa jätettä toimivasta reaktorista pitääkseen plasman riittävän kuumana palamaan).

"Yritämme määrittää plasmaa vasten olevien materiaalien peruskäyttäytymisen tavoitteenamme ymmärtää paremmin hajoamismekanismeja, jotta voimme suunnitella kestäviä, uusia materiaaleja", sanoi materiaalitutkija Chad Parish energiaministeriön Oak Ridge National Laboratorysta. Hän on lehdessä julkaistun tutkimuksen vanhempi kirjoittajaTieteelliset raportitjoka tutki volframin hajoamista reaktorin kannalta merkityksellisissä olosuhteissa.

Koska volframilla on korkein sulamispiste kaikista metalleista, se on kandidaatti plasmalle päin oleville materiaaleille. Haurauden vuoksi kaupallinen voimalaitos olisi kuitenkin todennäköisemmin valmistettu volframiseoksesta tai komposiitista. Siitä huolimatta oppiminen siitä, kuinka energinen atomipommittaminen vaikuttaa volframiin mikroskooppisesti, auttaa insinöörejä parantamaan ydinmateriaaleja.

"Fuusiovoimalan sisällä on julmin ympäristöinsinöörejä, joita on koskaan pyydetty suunnittelemaan materiaaleja", Parish sanoi. "Se on pahempi kuin suihkumoottorin sisätila."

Tutkijat tutkivat plasman ja koneen komponenttien vuorovaikutusta valmistaakseen materiaaleja, jotka sopivat paremmin tällaisiin ankariin käyttöolosuhteisiin. Materiaalien luotettavuus on nykyisten ja uusien ydinteknologioiden avaintekijä, jolla on merkittävä vaikutus voimalaitosten rakentamis- ja käyttökustannuksiin. Siksi on tärkeää suunnitella materiaalien kestävyyttä pitkien elinkaaren aikana.

Nykyistä tutkimusta varten Kalifornian yliopiston San Diegossa tutkijat pommittivat volframia heliumplasmalla alhaisella energialla jäljittelemällä fuusioreaktoria normaaleissa olosuhteissa. Sillä välin ORNL:n tutkijat käyttivät Multicharged Ion Research Facilitya hyökätäkseen volframia vastaan ​​korkeaenergisilla heliumioneilla, jotka jäljittelevät harvinaisia ​​olosuhteita, kuten plasmahäiriöitä, jotka saattavat tallettaa epätavallisen paljon energiaa.

Transmissioelektronimikroskoopilla, pyyhkäisytransmissioelektronimikroskoopilla, pyyhkäisyelektronimikroskoopilla ja elektronin nanokristallografialla tutkijat luonnehtivat kuplien kehittymistä volframikiteessä sekä "lonkeroiksi" kutsuttujen rakenteiden muotoa ja kasvua matalan ja korkean energian olosuhteissa. He lähettivät näytteet AppFive-nimiselle yritykselle precessioelektronidiffraktiota varten, joka on kehittynyt elektronikristallografiatekniikka, jotta se voisi päätellä kasvumekanismeja erilaisissa olosuhteissa.

Tiedemiehet ovat muutaman vuoden ajan tienneet, että volframi reagoi plasmaan muodostamalla kiteisiä jänteitä, joiden mittakaava on metrin miljardisosia tai nanometrejä – eräänlaisen pienen nurmikon. Nykyisessä tutkimuksessa havaittiin, että pienemmän energian pommituksen tuottamat lonkerot olivat hitaammin kasvavia, hienompia ja tasaisempia - muodostaen tiheämmän sumumaton - kuin korkeamman energian hyökkäyksen aiheuttamat lonkerot.

Metalleissa atomit omaksuvat säännöllisen rakenteellisen järjestelyn, jossa niiden välissä on määrätyt tilat. Jos atomi syrjäytetään, tyhjä paikka tai "vajaus" jää jäljelle. Jos säteily, kuten biljardipallo, kaataa atomin pois paikaltaan ja jättää tyhjän paikan, sen atomin on mentävä jonnekin. Se ahtautuu kiteen muiden atomien väliin, jolloin siitä tulee välimuoto.

Normaali fuusioreaktorin toiminta altistaa divertterin suurelle erittäin matalaenergoisten heliumatomien virralle. "Helium-ioni ei iske tarpeeksi lujasti tehdäkseen biljardipallon törmäyksen, joten sen täytyy livahtaa hilaan alkaakseen muodostaa kuplia tai muita vikoja", Parish selitti.

Teoreetikot, kuten Brian Wirth, UT-ORNL:n kuvernöörin tuoli, ovat mallintaneet järjestelmän ja uskovat, että materiaali, joka siirtyy hilasta kuplien muodostuessa, tulee jänteiden rakennuspalikoista. Heliumatomit vaeltavat hilan ympärillä satunnaisesti, Parish sanoi. He törmäävät muihin heliumeihin ja yhdistävät voimansa. Lopulta klusteri on tarpeeksi suuri lyödäkseen volframiatomin pois paikaltaan.

"Joka kerta kun kupla kasvaa, se työntää vielä pari volframiatomia pois niiden paikoista, ja niiden on mentävä jonnekin. He tulevat houkuttelemaan pintaa”, Parish sanoi. "Uskomme, että tämä on mekanismi, jolla tämä nanofuzz ​​muodostuu."

Laskennalliset tutkijat suorittavat simulaatioita supertietokoneilla tutkiakseen materiaaleja niiden atomitasolla tai nanometrin koossa ja nanosekunnin aika-asteikolla. Insinöörit tutkivat, kuinka materiaalit haurastuvat, halkeilevat ja muuten käyttäytyvät pitkän plasma-altistuksen jälkeen senttimetrin pituus- ja tuntiasteikolla. "Mutta siinä välissä oli vähän tiedettä", Parish sanoi, jonka kokeilu täytti tämän tiedon aukon tutkiakseen ensimmäisiä merkkejä materiaalin hajoamisesta ja nanojänteiden kasvun alkuvaiheista.

Onko fuzz sitten hyvä vai huono? "Fuzzilla on todennäköisesti sekä haitallisia että hyödyllisiä ominaisuuksia, mutta ennen kuin tiedämme siitä enemmän, emme voi suunnitella materiaaleja, jotka yrittävät eliminoida huonoja ja korostaa hyvää", Parish sanoi. Plussaa on, että sumea volframi saattaa kestää lämpökuormia, jotka rikkoisivat volframia, ja eroosio on 10 kertaa vähemmän sumeassa volframissa kuin irtovolframissa. Miinuspuolella nanojänteet voivat katketa ​​ja muodostaa pölyä, joka voi jäähdyttää plasmaa. Tutkijoiden seuraava tavoite on oppia, miten materiaali kehittyy ja kuinka helppoa on irrottaa nanojänteet pinnasta.

ORNL-kumppanit julkaisivat äskettäin pyyhkäisyelektronimikroskooppikokeita, jotka valaisevat volframin käyttäytymistä. Yksi tutkimus osoitti, että jänteiden kasvu ei edennyt missään suositeltavassa suunnassa. Toinen tutkimus paljasti, että plasmalle päin olevan volframin vaste heliumatomivirtaan kehittyi vain nanofuzzista (pienellä vuolla) nanofuzziin ja kupliin (suurella vuolla).

Tämän artikkelin otsikko on "Heliumaltistuksen alaisena kasvatettujen volframinanotendrilien morfologiat".