כור היתוך הוא בעצם בקבוק מגנטי המכיל את אותם תהליכים המתרחשים בשמש. דלקים של דאוטריום וטריטיום מתמזגים ויוצרים אדים של יוני הליום, נויטרונים וחום. כשהגז החם והמיונן הזה - הנקרא פלזמה - נשרף, החום הזה מועבר למים כדי ליצור קיטור כדי להפוך טורבינות שמייצרות חשמל. הפלזמה המחוממת-על מהווה איום מתמיד על דופן הכור ועל המפנה (המסלק פסולת מהכור הפועל כדי לשמור על הפלזמה חמה מספיק כדי להישרף).

"אנחנו מנסים לקבוע את ההתנהגות הבסיסית של חומרים הפונים לפלסמה במטרה להבין טוב יותר את מנגנוני הפירוק כדי שנוכל להנדס חומרים חזקים וחדשים", אמר מדען החומרים צ'אד פאריש מהמעבדה הלאומית אוק רידג' של משרד האנרגיה. הוא מחבר בכיר של מחקר בכתב העתדוחות מדעייםשחקר את הפירוק של טונגסטן בתנאים רלוונטיים לכור.

מכיוון שלטונגסטן יש את נקודת ההיתוך הגבוהה ביותר מכל המתכות, הוא מועמד לחומרים הפונים לפלסמה. עם זאת, בגלל שבירותה, תחנת כוח מסחרית תהיה עשויה יותר מסגסוגת טונגסטן או מרוכב. בלי קשר, למידה על האופן שבו הפצצה אטומית אנרגטית משפיעה על טונגסטן מיקרוסקופית עוזרת למהנדסים לשפר חומרים גרעיניים.

"בתוך תחנת כוח היתוך נמצאת מהנדסי הסביבה האכזרית ביותר שאי פעם התבקשו לתכנן עבורה חומרים", אמר פאריש. "זה יותר גרוע מהפנים של מנוע סילון."

חוקרים חוקרים את האינטראקציה של פלזמה ורכיבי מכונה כדי ליצור חומרים שמתאימים יותר לתנאי הפעלה קשים כאלה. אמינות חומרים היא נושא מרכזי בטכנולוגיות גרעיניות נוכחיות וחדשות שיש לה השפעה משמעותית על עלויות הבנייה והתפעול של תחנות כוח. אז זה קריטי להנדס חומרים עבור קשיחות לאורך מחזורי חיים ארוכים.

לצורך המחקר הנוכחי, חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו, הפציצו טונגסטן בפלזמה של הליום באנרגיה נמוכה המחקה כור היתוך בתנאים רגילים. בינתיים, חוקרים ב-ORNL השתמשו במתקן המחקר של יונים מרובי טעונים כדי לתקוף את טונגסטן עם יוני הליום בעלי אנרגיה גבוהה המחקה תנאים נדירים, כגון הפרעה בפלזמה שעלולה להפקיד כמות גדולה באופן חריג של אנרגיה.

באמצעות מיקרוסקופיה אלקטרונית העברה, מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת, מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת וננו-קריסטלוגרפיה אלקטרונית, המדענים אפיינו את התפתחות הבועות בגביש הטונגסטן ואת הצורה והצמיחה של מבנים המכונים "קנוקנות" בתנאי אנרגיה נמוכה וגבוהה. הם שלחו את הדגימות לחברה בשם AppFive עבור עקיפה של אלקטרונים קדם, טכניקת קריסטלוגרפיה מתקדמת של אלקטרונים, כדי להסיק מנגנוני צמיחה בתנאים שונים.

במשך כמה שנים מדענים יודעים שטונגסטן מגיב לפלזמה ביצירת קנוקנות גבישיות בקנה מידה של מיליארדיות המטר, או ננומטר - דשא זעיר למיניהם. המחקר הנוכחי גילה שקנוקנות שנוצרו על ידי הפצצה באנרגיה נמוכה יותר גדלו לאט יותר, עדינות וחלקות יותר - יוצרות מרבד צפוף יותר של אטוש - מאלו שנוצרו בהתקפה באנרגיה גבוהה יותר.

במתכות, האטומים מניחים סידור מבני מסודר עם רווחים מוגדרים ביניהם. אם אטום נעקר, מקום ריק, או "מקום פנוי", נשאר. אם קרינה, כמו כדור ביליארד, דופקת אטום מהאתר שלו ומשאירה מקום פנוי, האטום הזה צריך ללכת לאנשהו. הוא דוחס את עצמו בין אטומים אחרים בגביש, הופך לאינטרסטיציאלי.

פעולה רגילה של כור היתוך חושפת את המפנה לשטף גבוה של אטומי הליום בעלי אנרגיה נמוכה מאוד. "יון הליום לא פוגע מספיק חזק כדי לעשות את התנגשות כדור הביליארד, אז הוא צריך להתגנב לתוך הסריג כדי להתחיל ליצור בועות או פגמים אחרים", הסביר פאריש.

תיאורטיקנים כמו בריאן וירט, יו"ר מושל UT-ORNL, יצרו מודל של המערכת ומאמינים שהחומר שנעקר מהסריג כאשר נוצרות בועות הופך לאבני הבניין של קנוקנות. אטומי הליום מסתובבים סביב הסריג באקראי, אמר פאריש. הם נתקלים בהליומים אחרים ומאחדים כוחות. בסופו של דבר, הצביר גדול מספיק כדי להפיל אטום טונגסטן מהאתר שלו.

"בכל פעם שהבועה גדלה היא דוחפת עוד כמה אטומי טונגסטן מהאתרים שלהם, והם צריכים ללכת לאנשהו. הם הולכים להימשך אל פני השטח, "אמר פאריש. "זה, אנחנו מאמינים, המנגנון שבאמצעותו נוצר הננופאז הזה."

מדענים חישוביים מריצים סימולציות במחשבי-על כדי ללמוד חומרים ברמה האטומית שלהם, או גודל ננומטר וסקלאות זמן ננו-שניות. מהנדסים חוקרים כיצד חומרים מתפוררים, נסדקים ומתנהגים אחרת לאחר חשיפה ארוכה לפלזמה, בסולם זמן של סנטימטרים ושעות. "אבל היה מעט מדע באמצע", אמר פאריש, שהניסוי שלו מילא את פער הידע הזה כדי לחקור את הסימנים הראשונים להתדרדרות החומר ואת השלבים המוקדמים של צמיחת ננו-קנדרי.

אז האם פאז טוב או רע? "סביר להניח שיהיו ל-Fuzz גם תכונות מזיקות וגם מועילות, אבל עד שנדע יותר על זה, אנחנו לא יכולים להנדס חומרים כדי לנסות לחסל את הרע תוך הדגשת הטוב", אמר פאריש. בצד החיובי, טונגסטן מטושטש עשוי לסבול עומסי חום שיסדוקו טונגסטן בתפזורת, והשחיקה היא פי 10 פחות בטונגסטן מטושטש מאשר טונגסטן בתפזורת. בצד המינוס, ננו-תדרילים יכולים להתנתק וליצור אבק שיכול לקרר פלזמה. המטרה הבאה של המדענים היא ללמוד כיצד החומר מתפתח וכמה קל לשבור את הננו-תדרילים מפני השטח.

השותפים של ORNL פרסמו לאחרונה ניסויים סורקים במיקרוסקופ אלקטרונים המאירים התנהגות טונגסטן. מחקר אחד הראה שגידול קנוקנות לא המשיך בשום אוריינטציה מועדפת. חקירה נוספת גילתה כי התגובה של טונגסטן הפונה לפלסמה לשטף אטום הליום התפתחה מננו-פיוז בלבד (בשטף נמוך) לננו-פוז פלוס בועות (בשטף גבוה).

הכותרת של המאמר הנוכחי היא "מורפולוגיות של ננו-טונגסטן שגדלו בחשיפה להליום".