Un reactor de fusión é esencialmente unha botella magnética que contén os mesmos procesos que ocorren no sol. Os combustibles de deuterio e tritio fusiónanse para formar un vapor de ións helio, neutróns e calor. A medida que arde este gas quente e ionizado -chamado plasma-, esa calor transfírese á auga para facer vapor que faga funcionar as turbinas que xeran electricidade. O plasma superquecido supón unha ameaza constante para a parede do reactor e o desviador (que elimina os residuos do reactor en funcionamento para manter o plasma o suficientemente quente como para queimar).

"Estamos tentando determinar o comportamento fundamental dos materiais que se enfrontan ao plasma co obxectivo de comprender mellor os mecanismos de degradación para poder elaborar materiais novos e robustos", dixo o científico de materiais Chad Parish do Laboratorio Nacional de Oak Ridge do Departamento de Enerxía. É autor principal dun estudo na revistaInformes Científicosque explorou a degradación do wolframio en condicións relevantes para o reactor.

Debido a que o volframio ten o punto de fusión máis alto de todos os metais, é un candidato para materiais de plasma. Non obstante, debido á súa fraxilidade, unha central eléctrica comercial sería máis probable que estea feita dunha aliaxe ou composto de wolframio. Independentemente, aprender sobre como o bombardeo atómico enerxético afecta microscópicamente ao wolframio axuda aos enxeñeiros a mellorar os materiais nucleares.

"Dentro dunha central eléctrica de fusión atópase o medio ambiente máis brutal para o que se lles pediu aos enxeñeiros de deseño de materiais", dixo Parish. "É peor que o interior dun motor a reacción".

Os investigadores están estudando a interacción do plasma e os compoñentes da máquina para fabricar materiais que sexan máis que axeitados para condicións de operación tan duras. A fiabilidade dos materiais é un problema clave coas tecnoloxías nucleares actuais e novas que ten un impacto significativo nos custos de construción e explotación das centrais eléctricas. Polo tanto, é fundamental elaborar materiais para a resistencia durante longos ciclos de vida.

Para o estudo actual, investigadores da Universidade de California, San Diego, bombardearon volframio con plasma de helio a baixa enerxía imitando un reactor de fusión en condicións normais. Mentres tanto, os investigadores da ORNL utilizaron a Multicharged Ion Research Facility para atacar o volframio con ións de helio de alta enerxía emulando condicións raras, como unha interrupción do plasma que pode depositar unha cantidade anormalmente grande de enerxía.

Usando microscopía electrónica de transmisión, microscopía electrónica de transmisión de varrido, microscopía electrónica de varrido e nanocristalografía electrónica, os científicos caracterizaron a evolución das burbullas no cristal de wolframio e a forma e o crecemento de estruturas chamadas "zarcillos" en condicións de baixa e alta enerxía. Enviaron as mostras a unha empresa chamada AppFive para a difracción de electróns de precesión, unha técnica avanzada de cristalografía electrónica, para inferir mecanismos de crecemento en diferentes condicións.

Durante uns anos, os científicos souberon que o volframio responde ao plasma formando zarcillos cristalinos a escala de milmillonésimas de metro, ou nanómetros, unha especie de céspede diminuto. O estudo actual descubriu que os zarcillos producidos por bombardeos de baixa enerxía crecían máis lentamente, eran máis finos e máis suaves, formando unha alfombra máis densa de pelusa, que os creados por asaltos de maior enerxía.

Nos metais, os átomos asumen unha disposición estrutural ordenada con espazos definidos entre eles. Se un átomo é desprazado, permanece un sitio baleiro, ou "vacante". Se a radiación, como unha bola de billar, elimina un átomo do seu sitio e deixa un vacante, ese átomo ten que ir a algún lugar. Atópase entre outros átomos do cristal, converténdose nun intersticial.

O funcionamento normal do reactor de fusión expón o desviador a un alto fluxo de átomos de helio de moi baixa enerxía. "Un ión helio non está golpeando o suficientemente forte como para facer a colisión da bola de billar, polo que ten que colarse na rede para comezar a formar burbullas ou outros defectos", explicou Parish.

Teóricos como Brian Wirth, presidente do gobernador da UT-ORNL, modelaron o sistema e cren que o material que se despraza da rede cando se forman burbullas convértese nos bloques de construción dos zarcillos. Os átomos de helio deambulan pola rede de forma aleatoria, dixo Parish. Chocan con outros helios e unen forzas. Finalmente o cúmulo é o suficientemente grande como para derrubar un átomo de wolframio do seu sitio.

"Cada vez que a burbulla crece empuxa un par de átomos de wolframio máis fóra dos seus sitios e teñen que ir a algún lugar. Vanse atraer á superficie”, dixo Parish. "Ese, cremos, é o mecanismo polo que se forma este nanofuzz".

Os científicos computacionais realizan simulacións en supercomputadoras para estudar materiais ao seu nivel atómico, ou escalas de tempo de nanosegundos e tamaños nanómetros. Os enxeñeiros exploran como os materiais fráxiles, rachan e se comportan doutro xeito despois dunha longa exposición ao plasma, a escalas de centímetros e hora. "Pero había pouca ciencia no medio", dixo Parish, cuxo experimento encheu este oco de coñecemento para estudar os primeiros signos de degradación do material e as primeiras etapas do crecemento dos nanotendrilos.

Entón, a pelusa é boa ou mala? "É probable que Fuzz teña propiedades tanto perxudiciais como beneficiosas, pero ata que non saibamos máis sobre el, non podemos elaborar materiais para tratar de eliminar o malo mentres acentúa o bo", dixo Parish. No lado positivo, o volframio borroso pode soportar cargas de calor que romperían o volframio a granel, e a erosión é 10 veces menor no volframio borroso que o volframio a granel. No lado negativo, os nanotendrilos poden romperse, formando un po que pode arrefriar o plasma. O próximo obxectivo dos científicos é aprender como evoluciona o material e o fácil que é separar os nanotendrilos da superficie.

Os socios da ORNL publicaron experimentos recentes de microscopía electrónica de varrido que iluminan o comportamento do wolframio. Un estudo mostrou que o crecemento dos zarcillos non se produciu en ningunha orientación preferida. Outra investigación revelou que a resposta do volframio orientado ao plasma ao fluxo de átomos de helio evolucionou de só a nanofuzz ​​(a baixo fluxo) a nanofuzz ​​máis burbullas (a alto fluxo).

O título do artigo actual é "Morfoloxías de nanotendrilos de volframio cultivados baixo a exposición ao helio".