Samrunaofni er í raun segulflaska sem inniheldur sömu ferla og eiga sér stað í sólinni. Deuterium og tritium eldsneyti sameinast og mynda gufu af helíumjónum, nifteindum og hita. Þegar þetta heita, jónaða gas - kallað plasma - brennur, er þessi varmi fluttur yfir í vatn til að búa til gufu til að snúa hverflum sem framleiða rafmagn. Ofhitað plasma skapar stöðuga ógn við vegg kjarnaofnsins og dreifarann ​​(sem fjarlægir úrgang frá rekstri kjarnaofnsins til að halda plasmanum nógu heitt til að brenna).

„Við erum að reyna að ákvarða grundvallarhegðun efna sem snúa að plasma með það að markmiði að skilja betur niðurbrotskerfi svo við getum hannað öflug, ný efni,“ sagði efnisfræðingur Chad Parish við Oak Ridge National Laboratory í orkumálaráðuneytinu. Hann er eldri höfundur rannsóknar í tímaritinuVísindalegar skýrslursem kannaði niðurbrot wolframs við aðstæður sem skipta máli fyrir reactor.

Vegna þess að wolfram hefur hæsta bræðslumark allra málma, er það frambjóðandi fyrir efni sem snúa að plasma. Vegna stökkleika þess væri hins vegar líklegra að atvinnuvirkjun væri úr wolframblendi eða samsettu efni. Burtséð frá því, að læra um hvernig ötul kjarnorkusprengjuárás hefur áhrif á wolfram smásjá hjálpar verkfræðingum að bæta kjarnorkuefni.

„Í samrunaorkuveri eru grimmustu umhverfisverkfræðingar sem nokkru sinni hafa verið beðnir um að hanna efni fyrir,“ sagði Parish. „Það er verra en innréttingin í þotuhreyfli.

Vísindamenn eru að rannsaka samspil plasma og vélaíhluta til að búa til efni sem passa meira en við svo erfiðar rekstrarskilyrði. Áreiðanleiki efna er lykilatriði í núverandi og nýrri kjarnorkutækni sem hefur veruleg áhrif á byggingar- og rekstrarkostnað virkjana. Það er því mikilvægt að hanna efni fyrir harðræði yfir langan líftíma.

Fyrir núverandi rannsókn sprengdu vísindamenn við háskólann í Kaliforníu, San Diego, wolfram með helíumplasma á lágorku sem líkti eftir samrunaofni við venjulegar aðstæður. Á sama tíma notuðu vísindamenn við ORNL Multicharged Ion Research Facility til að ráðast á wolfram með háorku helíumjónum sem líkja eftir sjaldgæfum aðstæðum, svo sem plasmaröskun sem gæti skilað óeðlilega miklu magni af orku.

Með því að nota rafeindasmásjár, skanna rafeindasmásjár, skanna rafeindasmásjár og rafeinda nanókristalla, einkenndu vísindamennirnir þróun loftbóla í wolframkristallinum og lögun og vöxt mannvirkja sem kallast „tendrils“ við lág- og háorkuskilyrði. Þeir sendu sýnin til fyrirtækis sem heitir AppFive fyrir rafeindadreifingu, háþróaða rafeindakristöllunartækni, til að álykta um vaxtarferli við mismunandi aðstæður.

Í nokkur ár hafa vísindamenn vitað að wolfram bregst við blóðvökva með því að mynda kristallaðar tendrs á kvarðanum milljarðaustu úr metra, eða nanómetrum — eins konar pínulítil grasflöt. Núverandi rannsókn komst að því að hnykla sem myndast við sprengjuárás með minni orku vex hægar, fínni og sléttari - mynduðu þéttara teppi af loði - en þær sem myndast við árás með meiri orku.

Í málmum gera frumeindir ráð fyrir skipulegu skipulagi með skilgreindum rýmum á milli þeirra. Ef atóm er flutt á stað, er tómur staður, eða „laus staður“, eftir. Ef geislun, eins og billjardkúla, slær atóm af stað þess og skilur eftir laust sæti, þá verður það atóm að fara eitthvert. Það troðar sér á milli annarra atóma í kristalnum og verður að millivef.

Venjulegur rekstur samrunakjarna útsettir dreifarann ​​fyrir miklu flæði af mjög orkulítil helíumatómum. „Helíumjón slær ekki nógu fast til að gera billjarðkúluáreksturinn, svo hún verður að laumast inn í grindurnar til að byrja að mynda loftbólur eða aðra galla,“ útskýrði Parish.

Fræðifræðingar eins og Brian Wirth, stjórnarformaður UT-ORNL, hafa mótað kerfið og trúa því að efnið sem færist frá grindunum þegar loftbólur myndast verði að byggingareiningum hnykla. Helíumatóm reika um grindurnar af handahófi, sagði Parish. Þeir rekast á önnur helíum og sameina krafta sína. Að lokum er þyrpingin nógu stór til að velta wolframatómi af stað þess.

„Í hvert skipti sem kúlan vex ýtir hún nokkrum fleiri wolframatómum af staðunum sínum og þau verða að fara eitthvað. Þeir munu laðast að yfirborðinu,“ sagði Parish. „Við teljum að það sé aðferðin sem þessi nanofuzz ​​myndast með.

Reiknifræðingar keyra eftirlíkingar á ofurtölvum til að rannsaka efni á atómstigi þeirra, eða nanómetra stærð og nanósekúndu tímakvarða. Verkfræðingar kanna hvernig efni stökkva, sprunga og hegða sér á annan hátt eftir langa útsetningu fyrir plasma, á sentimetra lengd og klukkustunda tímakvarða. „En það voru lítil vísindi þar á milli,“ sagði Parish, en tilraun hans fyllti þetta þekkingarskort til að rannsaka fyrstu merki um niðurbrot efnis og fyrstu stig nanótendrílavaxtar.

Svo er fuzz gott eða slæmt? „Fuzz er líklegt til að hafa bæði skaðlega og gagnlega eiginleika, en þar til við vitum meira um það, getum við ekki hannað efni til að reyna að útrýma hinu slæma á meðan að leggja áherslu á það góða,“ sagði Parish. Það jákvæða er að loðnu wolfram gæti tekið hitaálag sem myndi sprunga lausu wolfram og veðrun er 10 sinnum minna í loðnu en lausu wolfram. Á mínus hliðinni geta nanotendrils brotnað af og myndað ryk sem getur kælt plasma. Næsta markmið vísindamannanna er að læra hvernig efnið þróast og hversu auðvelt það er að brjóta nanótendrana frá yfirborðinu.

Samstarfsaðilar ORNL birtu nýlegar rafeindasmásjártilraunir sem lýsa upp wolframhegðun. Ein rannsókn sýndi að vöxtur keðjunnar fór ekki fram í neinni valinni stefnu. Önnur rannsókn leiddi í ljós að svörun volframs sem snýr í plasma við flæði helíumatóma þróaðist úr nanóflús eingöngu (við lágt flæði) í nanófúff plús loftbólur (við mikið flæði).

Titill þessarar greinar er „Formgerð wolfram nanotendrils sem ræktaðar eru undir útsetningu fyrir helíum.