फ़्यूज़न रिएक्टर मूलतः एक चुंबकीय बोतल है जिसमें वही प्रक्रियाएँ होती हैं जो सूर्य में होती हैं। ड्यूटेरियम और ट्रिटियम ईंधन मिलकर हीलियम आयन, न्यूट्रॉन और ऊष्मा का वाष्प बनाते हैं। जैसे ही यह गर्म, आयनित गैस - जिसे प्लाज़्मा कहा जाता है - जलती है, वह गर्मी भाप बनाने के लिए पानी में स्थानांतरित हो जाती है ताकि टर्बाइनों को चालू किया जा सके जिससे बिजली पैदा होती है। अत्यधिक गर्म प्लाज्मा रिएक्टर की दीवार और डायवर्टर (जो प्लाज्मा को जलने के लिए पर्याप्त गर्म रखने के लिए ऑपरेटिंग रिएक्टर से अपशिष्ट को हटाता है) के लिए लगातार खतरा पैदा करता है।

ऊर्जा विभाग के ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी के सामग्री वैज्ञानिक चाड पैरिश ने कहा, "हम गिरावट तंत्र को बेहतर ढंग से समझने के लक्ष्य के साथ प्लाज्मा-सामना करने वाली सामग्रियों के मौलिक व्यवहार को निर्धारित करने की कोशिश कर रहे हैं ताकि हम मजबूत, नई सामग्रियों का निर्माण कर सकें।" वह जर्नल में एक अध्ययन के वरिष्ठ लेखक हैंवैज्ञानिक रिपोर्टजिसमें रिएक्टर-प्रासंगिक परिस्थितियों में टंगस्टन के क्षरण का पता लगाया गया।

चूँकि टंगस्टन का गलनांक सभी धातुओं में सबसे अधिक होता है, इसलिए यह प्लाज़्मा-सामना करने वाली सामग्रियों के लिए एक उम्मीदवार है। हालाँकि, इसकी भंगुरता के कारण, एक वाणिज्यिक बिजली संयंत्र टंगस्टन मिश्र धातु या मिश्रित से बना होगा। भले ही, ऊर्जावान परमाणु बमबारी टंगस्टन को सूक्ष्म रूप से कैसे प्रभावित करती है, इसके बारे में सीखने से इंजीनियरों को परमाणु सामग्री को बेहतर बनाने में मदद मिलती है।

पैरिश ने कहा, "फ्यूजन पावर प्लांट के अंदर सबसे क्रूर पर्यावरण इंजीनियरों को सामग्री डिजाइन करने के लिए कहा गया है।" "यह जेट इंजन के इंटीरियर से भी बदतर है।"

शोधकर्ता ऐसी सामग्री बनाने के लिए प्लाज्मा और मशीन घटकों की परस्पर क्रिया का अध्ययन कर रहे हैं जो ऐसी कठोर परिचालन स्थितियों के लिए उपयुक्त हैं। सामग्री की विश्वसनीयता वर्तमान और नई परमाणु प्रौद्योगिकियों के साथ एक प्रमुख मुद्दा है जिसका बिजली संयंत्रों के निर्माण और परिचालन लागत पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। इसलिए लंबे जीवन चक्रों में कठोरता के लिए सामग्री को इंजीनियर करना महत्वपूर्ण है।

वर्तमान अध्ययन के लिए, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के शोधकर्ताओं ने सामान्य परिस्थितियों में एक संलयन रिएक्टर की नकल करते हुए कम ऊर्जा पर हीलियम प्लाज्मा के साथ टंगस्टन पर बमबारी की। इस बीच, ओआरएनएल के शोधकर्ताओं ने उच्च-ऊर्जा हीलियम आयनों के साथ टंगस्टन पर हमला करने के लिए मल्टीचार्ज्ड आयन रिसर्च सुविधा का उपयोग किया, जो दुर्लभ स्थितियों का अनुकरण करता है, जैसे कि प्लाज्मा व्यवधान जो असामान्य रूप से बड़ी मात्रा में ऊर्जा जमा कर सकता है।

ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और इलेक्ट्रॉन नैनोक्रिस्टलोग्राफी का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने टंगस्टन क्रिस्टल में बुलबुले के विकास और कम और उच्च ऊर्जा स्थितियों के तहत "टेंड्रिल्स" नामक संरचनाओं के आकार और विकास की विशेषता बताई। उन्होंने विभिन्न परिस्थितियों में विकास तंत्र का अनुमान लगाने के लिए नमूनों को प्रीसेशन इलेक्ट्रॉन विवर्तन, एक उन्नत इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी तकनीक, ऐपफाइव नामक एक फर्म को भेजा।

कुछ वर्षों से वैज्ञानिकों को पता है कि टंगस्टन एक मीटर या नैनोमीटर के अरबवें पैमाने पर क्रिस्टलीय टेंड्रिल बनाकर प्लाज्मा पर प्रतिक्रिया करता है - एक प्रकार का छोटा लॉन। वर्तमान अध्ययन से पता चला है कि निम्न-ऊर्जा बमबारी से उत्पन्न टेंड्रिल उच्च-ऊर्जा हमले द्वारा निर्मित टेंड्रिल्स की तुलना में धीमी गति से बढ़ने वाले, महीन और चिकने होते हैं - जो झाग के घने कालीन का निर्माण करते हैं।

धातुओं में, परमाणु अपने बीच परिभाषित रिक्त स्थान के साथ एक व्यवस्थित संरचनात्मक व्यवस्था ग्रहण करते हैं। यदि एक परमाणु विस्थापित हो जाता है, तो एक खाली स्थान, या "रिक्तता" बनी रहती है। यदि विकिरण, बिलियर्ड बॉल की तरह, एक परमाणु को उसके स्थान से हटा देता है और एक रिक्त स्थान छोड़ देता है, तो उस परमाणु को कहीं जाना होगा। यह क्रिस्टल में अन्य परमाणुओं के बीच खुद को फंसा लेता है, एक अंतरालीय बन जाता है।

सामान्य संलयन-रिएक्टर ऑपरेशन डायवर्टर को बहुत कम ऊर्जा वाले हीलियम परमाणुओं के उच्च प्रवाह में उजागर करता है। पैरिश ने समझाया, "बिलियर्ड बॉल को टक्कर देने के लिए हीलियम आयन पर्याप्त जोर से नहीं मार रहा है, इसलिए बुलबुले या अन्य दोष बनाने के लिए इसे जाली में घुसना पड़ता है।"

यूटी-ओआरएनएल गवर्नर के अध्यक्ष ब्रायन विर्थ जैसे सिद्धांतकारों ने इस प्रणाली का मॉडल तैयार किया है और उनका मानना ​​है कि जब बुलबुले बनते हैं तो जो सामग्री जाली से विस्थापित हो जाती है, वह टेंड्रिल के निर्माण खंड बन जाती है। पैरिश ने कहा, हीलियम परमाणु जाली के चारों ओर बेतरतीब ढंग से घूमते हैं। वे अन्य हीलियम से टकराते हैं और एकजुट हो जाते हैं। अंततः क्लस्टर इतना बड़ा हो जाता है कि एक टंगस्टन परमाणु को अपनी जगह से गिरा सकता है।

“हर बार जब बुलबुला बढ़ता है तो यह कुछ और टंगस्टन परमाणुओं को उनकी साइट से दूर धकेल देता है, और उन्हें कहीं जाना पड़ता है। वे सतह से आकर्षित होने जा रहे हैं, ”पैरिश ने कहा। "हमारा मानना ​​है कि यही वह तंत्र है जिसके द्वारा यह नैनोफ़ज़ बनता है।"

कम्प्यूटेशनल वैज्ञानिक अपने परमाणु स्तर, या नैनोमीटर आकार और नैनोसेकंड समय के पैमाने पर सामग्रियों का अध्ययन करने के लिए सुपर कंप्यूटर पर सिमुलेशन चलाते हैं। इंजीनियर यह पता लगाते हैं कि सेंटीमीटर लंबाई और घंटे के समय के पैमाने पर, प्लाज़्मा के लंबे समय तक संपर्क में रहने के बाद सामग्री कैसे भुरभुरी, टूटती है और अन्यथा कैसे व्यवहार करती है। "लेकिन बीच में बहुत कम विज्ञान था," पैरिश ने कहा, जिनके प्रयोग ने भौतिक क्षरण के पहले संकेतों और नैनोटेंड्रिल विकास के शुरुआती चरणों का अध्ययन करने के लिए इस ज्ञान अंतर को भर दिया।

तो फ़ज़ अच्छा है या बुरा? पैरिश ने कहा, "फ़ज़ में हानिकारक और लाभकारी दोनों गुण होने की संभावना है, लेकिन जब तक हम इसके बारे में अधिक नहीं जानते, हम अच्छे को बढ़ावा देते हुए बुरे को खत्म करने की कोशिश करने के लिए सामग्री का निर्माण नहीं कर सकते।" प्लस साइड पर, फ़ज़ी टंगस्टन गर्मी का भार ले सकता है जो थोक टंगस्टन को तोड़ देगा, और थोक टंगस्टन की तुलना में फ़ज़ी में क्षरण 10 गुना कम है। नकारात्मक पक्ष पर, नैनोटेंड्रिल टूट सकते हैं, जिससे धूल बन सकती है जो प्लाज्मा को ठंडा कर सकती है। वैज्ञानिकों का अगला लक्ष्य यह सीखना है कि सामग्री कैसे विकसित होती है और नैनोटेंड्रिल को सतह से तोड़ना कितना आसान है।

ओआरएनएल भागीदारों ने हाल ही में स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी प्रयोग प्रकाशित किए जो टंगस्टन व्यवहार को उजागर करते हैं। एक अध्ययन से पता चला है कि टेंड्रिल वृद्धि किसी भी पसंदीदा अभिविन्यास में आगे नहीं बढ़ी। एक अन्य जांच से पता चला कि हीलियम परमाणु प्रवाह के लिए प्लाज्मा-फेसिंग टंगस्टन की प्रतिक्रिया केवल नैनोफज (कम प्रवाह पर) से नैनोफज प्लस बुलबुले (उच्च प्रवाह पर) तक विकसित हुई।

वर्तमान पेपर का शीर्षक है "हीलियम एक्सपोज़र के तहत उगाए गए टंगस्टन नैनोटेंड्रिल की आकृति विज्ञान।"