Un reattore a fusione è essenzialmente una bottiglia magnetica contenente gli stessi processi che avvengono al sole. I combustibili di deuterio e trizio si fondono per formare un vapore di ioni di elio, neutroni e calore. Mentre questo gas caldo e ionizzato, chiamato plasma, brucia, il calore viene trasferito all’acqua per produrre vapore necessario a far girare le turbine che generano elettricità. Il plasma surriscaldato rappresenta una minaccia costante per la parete del reattore e il divertore (che rimuove i rifiuti dal reattore in funzione per mantenere il plasma abbastanza caldo da bruciare).

"Stiamo cercando di determinare il comportamento fondamentale dei materiali rivolti verso il plasma con l'obiettivo di comprendere meglio i meccanismi di degrado in modo da poter progettare nuovi materiali robusti", ha affermato lo scienziato dei materiali Chad Parish dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia. È autore senior di uno studio sulla rivistaRapporti scientificiche ha esplorato la degradazione del tungsteno in condizioni rilevanti per il reattore.

Poiché il tungsteno ha il punto di fusione più alto di tutti i metalli, è un candidato per materiali rivolti verso il plasma. A causa della sua fragilità, tuttavia, una centrale elettrica commerciale sarebbe più probabilmente realizzata in una lega di tungsteno o in un materiale composito. Indipendentemente da ciò, apprendere come il bombardamento atomico energetico influisce microscopicamente sul tungsteno aiuta gli ingegneri a migliorare i materiali nucleari.

“All’interno di una centrale elettrica a fusione si trova l’ambiente più brutale per cui gli ingegneri siano mai stati chiamati a progettare materiali”, ha detto Parish. "È peggio dell'interno di un motore a reazione."

I ricercatori stanno studiando l'interazione tra plasma e componenti della macchina per realizzare materiali che siano più che adatti a condizioni operative così difficili. L’affidabilità dei materiali è una questione chiave con le attuali e le nuove tecnologie nucleari che ha un impatto significativo sui costi di costruzione e di esercizio delle centrali elettriche. Pertanto è fondamentale progettare materiali resistenti per lunghi cicli di vita.

Per questo studio, i ricercatori dell’Università della California, a San Diego, hanno bombardato il tungsteno con plasma di elio a bassa energia imitando un reattore a fusione in condizioni normali. Nel frattempo, i ricercatori dell’ORNL hanno utilizzato la Multicharged Ion Research Facility per attaccare il tungsteno con ioni di elio ad alta energia che emulano condizioni rare, come una distruzione del plasma che potrebbe depositare una quantità anormalmente grande di energia.

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, la microscopia elettronica a scansione, la microscopia elettronica a scansione e la nanocristallografia elettronica, gli scienziati hanno caratterizzato l'evoluzione delle bolle nel cristallo di tungsteno e la forma e la crescita di strutture chiamate "viticci" in condizioni di bassa e alta energia. Hanno inviato i campioni a un’azienda chiamata AppFive per la diffrazione elettronica di precessione, una tecnica avanzata di cristallografia elettronica, per dedurre i meccanismi di crescita in diverse condizioni.

Da alcuni anni gli scienziati sanno che il tungsteno risponde al plasma formando viticci cristallini sulla scala di miliardesimi di metro, o nanometri: una sorta di minuscolo prato. L’attuale studio ha scoperto che i viticci prodotti dal bombardamento a bassa energia crescevano più lentamente, erano più fini e più lisci – formando un tappeto di peluria più denso – rispetto a quelli creati dall’assalto ad alta energia.

Nei metalli, gli atomi assumono una disposizione strutturale ordinata con spazi definiti tra di loro. Se un atomo viene spostato, rimane un sito vuoto, o “posto vacante”. Se la radiazione, come una palla da biliardo, fa cadere un atomo dalla sua sede e lascia uno spazio vuoto, quell’atomo deve andare da qualche parte. Si stipa tra gli altri atomi del cristallo, diventando un interstiziale.

Il normale funzionamento del reattore a fusione espone il divertore a un elevato flusso di atomi di elio a bassissima energia. "Uno ione di elio non colpisce abbastanza forte da provocare la collisione della palla da biliardo, quindi deve intrufolarsi nel reticolo per iniziare a formare bolle o altri difetti", ha spiegato Parish.

Teorici come Brian Wirth, presidente del governatore dell'UT-ORNL, hanno modellato il sistema e credono che il materiale che viene spostato dal reticolo quando si formano le bolle diventi gli elementi costitutivi dei viticci. Gli atomi di elio vagano in modo casuale attorno al reticolo, ha detto Parish. Si imbattono in altri elio e uniscono le forze. Alla fine l’ammasso diventa abbastanza grande da far cadere un atomo di tungsteno dal suo sito.

“Ogni volta che la bolla cresce, spinge fuori dai loro siti un altro paio di atomi di tungsteno, che devono andare da qualche parte. Saranno attratti dalla superficie", ha detto Parish. “Crediamo che questo sia il meccanismo attraverso il quale si forma questa nanofuzz”.

Gli scienziati computazionali eseguono simulazioni su supercomputer per studiare i materiali al loro livello atomico, o su scala nanometrica e su scala temporale di nanosecondi. Gli ingegneri studiano come i materiali si infragiliscono, si rompono e si comportano in altro modo dopo una lunga esposizione al plasma, su scale temporali centimetriche e orarie. “Ma c’era poca scienza nel mezzo”, ha detto Parish, il cui esperimento ha colmato questa lacuna di conoscenze per studiare i primi segni di degrado del materiale e le prime fasi della crescita dei nanotendrilli.

Quindi il fuzz è buono o cattivo? "È probabile che la peluria abbia proprietà sia dannose che benefiche, ma finché non ne sapremo di più, non potremo progettare materiali per cercare di eliminare gli aspetti negativi accentuando al contempo quelli positivi", ha affermato Parish. Il lato positivo è che il tungsteno fuzzy potrebbe sopportare carichi di calore tali da rompere il tungsteno sfuso, e l'erosione è 10 volte inferiore nel tungsteno fuzzy rispetto al tungsteno sfuso. L’aspetto negativo è che i nanotendrilli possono rompersi, formando una polvere in grado di raffreddare il plasma. Il prossimo obiettivo degli scienziati è scoprire come si evolve il materiale e quanto sia facile staccare i nanotentacoli dalla superficie.

I partner dell'ORNL hanno pubblicato recenti esperimenti di microscopia elettronica a scansione che mettono in luce il comportamento del tungsteno. Uno studio ha dimostrato che la crescita dei viticci non procedeva secondo alcun orientamento preferito. Un'altra indagine ha rivelato che la risposta del tungsteno rivolto al plasma al flusso dell'atomo di elio si è evoluta da solo nanofuzz ​​(a basso flusso) a nanofuzz ​​più bolle (a flusso elevato).

Il titolo del presente articolo è “Morfologie di nanotendrilli di tungsteno cresciuti sotto esposizione all’elio”.