Reaktor fusi pada dasarnya adalah botol magnetis yang berisi proses yang sama yang terjadi di matahari. Bahan bakar deuterium dan tritium menyatu membentuk uap ion helium, neutron, dan panas. Saat gas panas terionisasi ini—yang disebut plasma—terbakar, panas tersebut ditransfer ke air untuk menghasilkan uap guna memutar turbin yang menghasilkan listrik. Plasma yang terlalu panas menimbulkan ancaman terus-menerus terhadap dinding reaktor dan divertor (yang membuang limbah dari reaktor yang beroperasi untuk menjaga plasma cukup panas untuk terbakar).

“Kami mencoba menentukan perilaku dasar material yang berhubungan dengan plasma dengan tujuan untuk lebih memahami mekanisme degradasi sehingga kami dapat merekayasa material baru yang kuat,” kata ilmuwan material Chad Parish dari Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi. Dia adalah penulis senior studi di jurnal tersebutLaporan Ilmiahyang mengeksplorasi degradasi tungsten dalam kondisi yang relevan dengan reaktor.

Karena tungsten memiliki titik leleh tertinggi di antara semua logam, tungsten merupakan kandidat material yang menghadap plasma. Namun, karena kerapuhannya, pembangkit listrik komersial kemungkinan besar akan terbuat dari paduan atau komposit tungsten. Terlepas dari itu, mempelajari bagaimana pemboman atom yang energik mempengaruhi tungsten secara mikroskopis membantu para insinyur meningkatkan bahan nuklir.

“Di dalam pembangkit listrik fusi terdapat insinyur lingkungan paling brutal yang pernah diminta untuk merancang materialnya,” kata Parish. “Ini lebih buruk daripada bagian dalam mesin jet.”

Para peneliti sedang mempelajari interaksi plasma dan komponen mesin untuk membuat bahan yang lebih cocok untuk kondisi pengoperasian yang keras. Keandalan material merupakan isu utama dalam teknologi nuklir saat ini dan yang baru, yang mempunyai dampak signifikan terhadap biaya konstruksi dan operasional pembangkit listrik. Jadi, sangat penting untuk merekayasa material agar tahan banting dalam siklus hidup yang panjang.

Untuk penelitian saat ini, para peneliti di Universitas California, San Diego, membombardir tungsten dengan plasma helium berenergi rendah yang meniru reaktor fusi dalam kondisi normal. Sementara itu, para peneliti di ORNL menggunakan Fasilitas Penelitian Ion Multicharged untuk menyerang tungsten dengan ion helium berenergi tinggi yang meniru kondisi langka, seperti gangguan plasma yang mungkin menyimpan sejumlah besar energi yang tidak normal.

Dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi, pemindaian mikroskop elektron transmisi, pemindaian mikroskop elektron, dan nanokristallografi elektron, para ilmuwan mengkarakterisasi evolusi gelembung dalam kristal tungsten dan bentuk serta pertumbuhan struktur yang disebut “sulur” dalam kondisi energi rendah dan tinggi. Mereka mengirimkan sampel ke sebuah perusahaan bernama AppFive untuk difraksi elektron presesi, teknik kristalografi elektron canggih, untuk menyimpulkan mekanisme pertumbuhan dalam kondisi berbeda.

Selama beberapa tahun para ilmuwan telah mengetahui bahwa tungsten merespons plasma dengan membentuk sulur kristal pada skala sepersejuta meter, atau nanometer—semacam halaman rumput kecil. Studi saat ini menemukan bahwa sulur-sulur yang dihasilkan oleh pemboman berenergi rendah tumbuh lebih lambat, lebih halus dan halus—membentuk hamparan bulu halus yang lebih padat—dibandingkan sulur-sulur yang dihasilkan oleh serangan berenergi lebih tinggi.

Dalam logam, atom memiliki susunan struktural yang teratur dengan jarak tertentu di antara keduanya. Jika sebuah atom dipindahkan, sebuah situs kosong, atau “kekosongan”, tetap ada. Jika radiasi, seperti bola bilyar, menjatuhkan atom dari tempatnya dan meninggalkan kekosongan, maka atom tersebut harus pergi ke suatu tempat. Ia menjejalkan dirinya di antara atom-atom lain dalam kristal, menjadi sebuah interstisial.

Pengoperasian reaktor fusi yang normal memaparkan pengalih pada fluks tinggi atom helium berenergi sangat rendah. “Ion helium tidak memukul cukup keras untuk menyebabkan tumbukan bola bilyar, sehingga ia harus menyelinap ke dalam kisi untuk mulai membentuk gelembung atau cacat lainnya,” jelas Parish.

Para ahli teori seperti Brian Wirth, Ketua Gubernur UT-ORNL, telah memodelkan sistem tersebut dan percaya bahwa material yang dipindahkan dari kisi ketika gelembung terbentuk akan menjadi bahan penyusun sulur. Atom helium berkeliaran di sekitar kisi secara acak, kata Parish. Mereka bertemu helium lain dan bergabung. Akhirnya gugus tersebut cukup besar untuk menjatuhkan atom tungsten dari tempatnya.

“Setiap kali gelembung membesar, hal itu mendorong beberapa atom tungsten keluar dari tempatnya, dan mereka harus pergi ke suatu tempat. Mereka akan tertarik ke permukaan,” kata Parish. “Kami percaya, itulah mekanisme yang membentuk nanofuzz ​​ini.”

Ilmuwan komputasi menjalankan simulasi pada superkomputer untuk mempelajari material pada tingkat atomnya, atau ukuran nanometer dan skala waktu nanodetik. Para insinyur mengeksplorasi bagaimana material menjadi rapuh, retak, dan berperilaku lain setelah terpapar plasma dalam waktu lama, dalam skala waktu sentimeter dan jam. “Tetapi hanya ada sedikit ilmu pengetahuan di antara keduanya,” kata Parish, yang eksperimennya mengisi kesenjangan pengetahuan ini untuk mempelajari tanda-tanda awal degradasi material dan tahap awal pertumbuhan nanotendril.

Jadi apakah bulu halus itu baik atau buruk? “Bulu halus kemungkinan besar memiliki sifat yang merugikan dan menguntungkan, namun sampai kita mengetahui lebih banyak tentang hal itu, kita tidak dapat merekayasa bahan untuk mencoba menghilangkan sifat buruk sambil menonjolkan sifat baik,” kata Parish. Di sisi positifnya, tungsten fuzzy mungkin memerlukan beban panas yang akan memecahkan tungsten curah, dan erosi fuzzy 10 kali lebih kecil dibandingkan tungsten curah. Sisi negatifnya, nanotendril bisa pecah, membentuk debu yang bisa mendinginkan plasma. Tujuan para ilmuwan selanjutnya adalah mempelajari bagaimana material berevolusi dan betapa mudahnya melepaskan nanotendril dari permukaan.

Mitra ORNL menerbitkan eksperimen pemindaian mikroskop elektron baru-baru ini yang menjelaskan perilaku tungsten. Sebuah penelitian menunjukkan pertumbuhan sulur tidak berjalan sesuai orientasi yang diinginkan. Investigasi lain mengungkapkan bahwa respons tungsten yang menghadap plasma terhadap fluks atom helium berevolusi dari nanofuzz ​​saja (pada fluks rendah) menjadi nanofuzz ​​plus gelembung (pada fluks tinggi).

Judul makalah saat ini adalah “Morfologi nanotendril tungsten yang tumbuh di bawah paparan helium.”