A fúziós reaktor lényegében egy mágneses palack, amely ugyanazokat a folyamatokat tartalmazza, mint a napon. A deutérium és a trícium üzemanyagok összeolvadnak, és hélium ionokból, neutronokból és hőből gőzt képeznek. Miközben ez a forró, ionizált gáz – az úgynevezett plazma – ég, ez a hő vízbe kerül, és gőzből áramot termelő turbinákat alakítanak ki. A túlhevített plazma állandó fenyegetést jelent a reaktor falára és a divertorra (amely eltávolítja a hulladékot az üzemelő reaktorból, hogy a plazma elég meleg legyen az égéshez).

"Megpróbáljuk meghatározni a plazmával szemben lévő anyagok alapvető viselkedését, hogy jobban megértsük a lebomlási mechanizmusokat, hogy robusztus, új anyagokat tudjunk kifejleszteni" - mondta Chad Parish anyagtudós, az Energiaügyi Minisztérium Oak Ridge National Laboratory munkatársa. A folyóiratban megjelent tanulmány vezető szerzőjeTudományos Jelentésekamely a wolfram lebomlását vizsgálta a reaktor szempontjából releváns körülmények között.

Mivel a volfrámnak van a legmagasabb olvadáspontja az összes fém közül, ezért alkalmas a plazma felületű anyagokra. Törékenysége miatt azonban egy kereskedelmi erőmű nagyobb valószínűséggel volfrámötvözetből vagy kompozitból készülne. Ettől függetlenül, ha megtanulják, hogyan hat az energetikai atombombázás mikroszkópikusan a volfrámra, az segít a mérnököknek a nukleáris anyagok fejlesztésében.

„Egy fúziós erőmű belsejében van a legbrutálisabb környezet, amelyhez valaha is kértek anyagokat a mérnököktől” – mondta Parish. – Rosszabb, mint egy sugárhajtómű belseje.

A kutatók a plazma és a gépalkatrészek kölcsönhatását tanulmányozzák, hogy olyan anyagokat állítsanak elő, amelyek jobban megfelelnek az ilyen kemény működési feltételeknek. Az anyagmegbízhatóság kulcskérdés a jelenlegi és az új nukleáris technológiáknál, amely jelentős hatással van az erőművek építési és üzemeltetési költségeire. Ezért kritikus fontosságú, hogy az anyagokat hosszú élettartamú szilárdságra tervezzék.

A jelenlegi tanulmányhoz a Kaliforniai Egyetem (San Diego) kutatói volfrámot bombáztak héliumplazmával, alacsony energiájú fúziós reaktort utánozva normál körülmények között. Eközben az ORNL kutatói a Multicharged Ion Research Facility segítségével támadták meg a volfrámot nagy energiájú héliumionokkal, amelyek olyan ritka állapotokat emulálnak, mint például a plazmazavar, amely abnormálisan nagy mennyiségű energiát rakhat le.

A tudósok transzmissziós elektronmikroszkóppal, pásztázó transzmissziós elektronmikroszkóppal, pásztázó elektronmikroszkóppal és elektron-nanokristályográfiával jellemezték a volfrámkristályban lévő buborékok kialakulását, valamint a „indáknak” nevezett struktúrák alakját és növekedését alacsony és nagy energiájú körülmények között. A mintákat elküldték az AppFive nevű cégnek precessziós elektrondiffrakcióra, egy fejlett elektronkrisztallográfiai technikára, hogy következtessenek a növekedési mechanizmusokra különböző körülmények között.

A tudósok néhány éve tudják, hogy a wolfram a plazmára úgy reagál, hogy kristályos indákat hoz létre a méter milliárdod részének vagy nanométeres léptékben – ez egy apró pázsit. A jelenlegi tanulmány kimutatta, hogy az alacsonyabb energiájú bombázás által előállított indák lassabb növekedésűek, finomabbak és simábbak – sűrűbb bolyhos szőnyeget alkotva –, mint a nagyobb energiájú támadás során keletkező indák.

A fémekben az atomok rendezett szerkezeti elrendezést vesznek fel, köztük meghatározott terekkel. Ha egy atomot eltolunk, egy üres hely vagy „üres hely” marad. Ha a sugárzás, mint egy biliárdgolyó, kiüt egy atomot a helyéről, és üresedést hagy maga után, az atomnak valahova el kell jutnia. A kristály más atomjai közé szorul, és intersticiummá válik.

A fúziós reaktor normál működése az eltérítőt nagyon alacsony energiájú héliumatomok nagy áramlásának teszi ki. „A hélium-ion nem üt elég erősen ahhoz, hogy a biliárdgolyót ütköztessen, ezért be kell osonnia a rácsba, hogy buborékokat vagy más hibákat tudjon képezni” – magyarázta Parish.

Az olyan teoretikusok, mint Brian Wirth, az UT-ORNL kormányzói széke, modellezték a rendszert, és úgy vélik, hogy az anyag, amely a buborékok kialakulásakor kiszorul a rácsból, az indák építőköveivé válik. Parish szerint a hélium atomok véletlenszerűen vándorolnak a rács körül. Más héliumokba ütköznek, és egyesítik erőiket. Végül a klaszter elég nagy ahhoz, hogy egy wolfram atomot leljen a helyéről.

„Minden alkalommal, amikor a buborék nő, néhány további wolframatomot eltávolít a helyükről, és el kell menniük valahova. Vonzani fogják őket a felszínre” – mondta Parish. "Úgy gondoljuk, hogy ez az a mechanizmus, amellyel ez a nanofuzz ​​kialakul."

A számítástechnikai tudósok szuperszámítógépeken szimulációkat futtatnak, hogy az anyagokat atomi szinten, vagy nanométeres méretben és nanoszekundumos időskálán tanulmányozzák. A mérnökök azt vizsgálják, hogyan töredeznek, repednek és hogyan viselkednek más módon az anyagok hosszan tartó plazma expozíció után, centiméteres és órás időskálán. „De a tudomány között kevés volt” – mondta Parish, akinek kísérlete kitöltötte ezt a tudásbeli hiányt, hogy tanulmányozza az anyagromlás első jeleit és a nanoindák növekedésének korai szakaszait.

Szóval a fuzz jó vagy rossz? „A fuzznak valószínűleg vannak káros és jótékony tulajdonságai is, de amíg többet nem tudunk róla, nem tudunk olyan anyagokat megtervezni, amelyek megpróbálják kiküszöbölni a rosszat, miközben kiemelik a jót” – mondta Parish. Pozitívum, hogy a fuzzy volfrám olyan hőterhelést vehet igénybe, amely feltörné az ömlesztett volfrámot, és az erózió tízszer kisebb a fuzzy volfrámban, mint az ömlesztett volfrám. A negatív oldalon a nanoindák letörhetnek, és olyan port képeznek, amely lehűti a plazmát. A tudósok következő célja, hogy megismerjék, hogyan fejlődik az anyag, és milyen könnyű eltörni a nanoindákat a felszínről.

Az ORNL partnerei nemrégiben tettek közzé pásztázó elektronmikroszkópos kísérleteket, amelyek megvilágítják a volfrám viselkedését. Egy tanulmány kimutatta, hogy az indák növekedése nem az előnyben részesített irányban haladt. Egy másik vizsgálat feltárta, hogy a plazma felé néző wolfram héliumatom fluxusra adott válasza csak nanofuzztól (alacsony fluxus mellett) nanofuzz ​​plusz buborékokig (nagy fluxus mellett) fejlődött.

A jelenlegi cikk címe: „Hélium expozíció alatt termesztett volfrám nanoindák morfológiái”.