Fuzijski reaktor je u biti magnetska boca koja sadrži iste procese koji se odvijaju na suncu. Goriva deuterija i tricija stapaju se u paru iona helija, neutrona i topline. Dok ovaj vrući, ionizirani plin—nazvan plazma—gori, toplina se prenosi na vodu kako bi se stvorila para koja pokreće turbine koje proizvode električnu energiju. Pregrijana plazma predstavlja stalnu prijetnju stijenci reaktora i divertoru (koji uklanja otpad iz radnog reaktora kako bi plazma bila dovoljno vruća da gori).

"Pokušavamo odrediti temeljno ponašanje materijala okrenutih prema plazmi s ciljem boljeg razumijevanja mehanizama razgradnje kako bismo mogli konstruirati robusne, nove materijale", rekao je znanstvenik za materijale Chad Parish iz Nacionalnog laboratorija Oak Ridge Ministarstva energetike. Viši je autor studije u časopisuZnanstvena izvješćakoji je istraživao degradaciju volframa pod uvjetima relevantnim za reaktor.

Budući da volfram ima najvišu točku taljenja od svih metala, kandidat je za materijale okrenute prema plazmi. Međutim, zbog svoje krtosti, komercijalna elektrana bi vjerojatnije bila izrađena od legure ili kompozita volframa. Bez obzira na to, učenje o tome kako energično atomsko bombardiranje utječe na volfram mikroskopski pomaže inženjerima da poboljšaju nuklearne materijale.

"Unutar fuzijske elektrane nalazi se najbrutalniji okoliš za koji su inženjeri ikada zamoljeni da dizajniraju materijale", rekao je Parish. “Gore je od unutrašnjosti mlaznog motora.”

Istraživači proučavaju interakciju plazme i komponenti stroja kako bi napravili materijale koji više nego odgovaraju tako teškim uvjetima rada. Pouzdanost materijala ključno je pitanje s trenutačnim i novim nuklearnim tehnologijama koje ima značajan utjecaj na troškove izgradnje i rada elektrana. Stoga je kritično izraditi materijale za otpornost tijekom dugih životnih ciklusa.

Za trenutnu studiju, istraživači sa Sveučilišta Kalifornije u San Diegu bombardirali su volfram helijevom plazmom pri niskoj energiji oponašajući fuzijski reaktor u normalnim uvjetima. U međuvremenu, istraživači na ORNL-u koristili su Multicharged Ion Research Facility za napad na volfram visokoenergetskim ionima helija oponašajući rijetke uvjete, kao što je poremećaj plazme koji bi mogao pohraniti abnormalno veliku količinu energije.

Koristeći transmisijsku elektronsku mikroskopiju, skenirajuću transmisijsku elektronsku mikroskopiju, skenirajuću elektronsku mikroskopiju i elektronsku nanokristalografiju, znanstvenici su okarakterizirali evoluciju mjehurića u kristalu volframa te oblik i rast struktura nazvanih "vitice" u uvjetima niske i visoke energije. Poslali su uzorke tvrtki AppFive na precesijsku elektronsku difrakciju, naprednu tehniku ​​elektronske kristalografije, kako bi zaključili o mehanizmima rasta pod različitim uvjetima.

Već nekoliko godina znanstvenici znaju da volfram reagira na plazmu stvaranjem kristalnih vitica na skali od milijarditog dijela metra, ili nanometara - svojevrsnog sićušnog travnjaka. Trenutna studija otkrila je da vitice proizvedene nižeenergetskim bombardiranjem sporije rastu, finije su i glađe - tvoreći gušći tepih od dlačica - od onih koje stvara napad više energije.

U metalima, atomi imaju uredan strukturni raspored s definiranim prostorom između njih. Ako se atom pomakne, ostaje prazno mjesto ili "prazno mjesto". Ako zračenje, poput biljarske kugle, izbaci atom s njegovog mjesta i ostavi prazno mjesto, taj atom mora nekamo otići. Nagurava se između ostalih atoma u kristalu, postajući intersticij.

Normalan rad fuzijskog reaktora izlaže divertor velikom protoku atoma helija vrlo niske energije. "Helijev ion ne udara dovoljno jako da bi izveo sudar biljarske kugle, pa se mora ušuljati u rešetku kako bi počeo stvarati mjehuriće ili druge nedostatke", objasnio je Parish.

Teoretičari poput Briana Wirtha, guvernera UT-ORNL-a, modelirali su sustav i vjeruju da materijal koji se pomakne iz rešetke kada se formiraju mjehurići postaje građevni blok vitica. Atomi helija nasumično lutaju po rešetki, rekao je Parish. Nailaze na druge helije i udružuju snage. Na kraju je klaster dovoljno velik da izbaci atom volframa sa svog mjesta.

“Svaki put kad mjehurić raste, gura još nekoliko atoma volframa sa svojih mjesta i oni moraju nekamo otići. Privući će ih površina”, rekao je Parish. "Vjerujemo da je to mehanizam po kojem se formiraju ove nanočestice."

Računalni znanstvenici pokreću simulacije na superračunalima kako bi proučavali materijale na njihovoj atomskoj razini ili nanometarskoj veličini i vremenskoj skali nanosekunde. Inženjeri istražuju kako materijali postaju krti, pucaju i na druge načine se ponašaju nakon dugog izlaganja plazmi, na centimetrskoj duljini i vremenskoj skali sata. "Ali bilo je malo znanosti između", rekao je Parish, čiji je eksperiment popunio ovu prazninu u znanju kako bi proučio prve znakove degradacije materijala i rane faze rasta nanovitice.

Dakle, je li fuzz dobar ili loš? "Fuzz će vjerojatno imati i štetna i korisna svojstva, ali dok ne saznamo više o tome, ne možemo konstruirati materijale koji će pokušati eliminirati loše, a naglašavati dobro", rekao je Parish. S pozitivne strane, rasplinuti volfram bi mogao podnijeti toplinska opterećenja koja bi popucala volfram u rasutom stanju, a erozija je 10 puta manja u rasutom nego u rasutom volframu. S negativne strane, nanovitice se mogu odlomiti, stvarajući prašinu koja može ohladiti plazmu. Sljedeći cilj znanstvenika je saznati kako se materijal razvija i koliko je lako odvojiti nanovitice od površine.

Partneri ORNL-a objavili su nedavne eksperimente skenirajuće elektronske mikroskopije koji osvjetljavaju ponašanje volframa. Jedna je studija pokazala da se rast vitica nije odvijao ni u jednoj željenoj orijentaciji. Drugo istraživanje otkrilo je da se reakcija volframa okrenutog prema plazmi na tok atoma helija razvio od samo nanoflaka (pri niskom toku) do nanoflaka plus mjehurića (pri visokom toku).

Naslov trenutnog rada je "Morfologije volframovih nanovitica uzgojenih pod izloženošću heliju."