შერწყმის რეაქტორი არსებითად არის მაგნიტური ბოთლი, რომელიც შეიცავს იმავე პროცესებს, რაც ხდება მზეზე. დეიტერიუმის და ტრიტიუმის საწვავი ერწყმის ჰელიუმის იონების, ნეიტრონების და სითბოს ორთქლს. როდესაც ეს ცხელი, იონიზირებული გაზი, რომელსაც პლაზმა ეწოდება, იწვის, ეს სითბო წყალში გადადის ორთქლის შესაქმნელად და ელექტროენერგიის გამომუშავების ტურბინების დასაბრუნებლად. ზედმეტად გახურებული პლაზმა მუდმივ საფრთხეს უქმნის რეაქტორის კედელს და დივერტორს (რომელიც აშორებს ნარჩენებს მოქმედი რეაქტორიდან, რათა პლაზმა საკმარისად ცხელი იყოს და დაიწვას).

„ჩვენ ვცდილობთ განვსაზღვროთ პლაზმური მასალების ფუნდამენტური ქცევა, რათა უკეთ გავიგოთ დეგრადაციის მექანიზმები, რათა შეგვეძლოს მტკიცე, ახალი მასალების ინჟინერია“, - თქვა მასალების მეცნიერმა ჩად პარიშმა ენერგეტიკის დეპარტამენტის Oak Ridge-ის ეროვნული ლაბორატორიიდან. ის არის ჟურნალის კვლევის უფროსი ავტორისამეცნიერო მოხსენებებირომელიც იკვლევდა ვოლფრამის დეგრადაციას რეაქტორთან შესაბამის პირობებში.

იმის გამო, რომ ვოლფრამი აქვს ყველაზე მაღალი დნობის წერტილი ყველა ლითონს შორის, ის არის პლაზმური მასალების კანდიდატი. თუმცა, მისი მტვრევადობის გამო, კომერციული ელექტროსადგური, სავარაუდოდ, დამზადებული იქნება ვოლფრამის შენადნობის ან კომპოზიტისგან. მიუხედავად იმისა, თუ როგორ მოქმედებს ენერგიული ატომური დაბომბვა ვოლფრამის მიკროსკოპულად, ეხმარება ინჟინრებს ბირთვული მასალების გაუმჯობესებაში.

„შერწყმის ელექტროსადგურის შიგნით არის ყველაზე სასტიკი გარემო, რისთვისაც ინჟინრებს სთხოვეს მასალების დაპროექტება“, - თქვა პარიშმა. ”ეს უარესია, ვიდრე რეაქტიული ძრავის ინტერიერი.”

მკვლევარები სწავლობენ პლაზმისა და მანქანის კომპონენტების ურთიერთქმედებას, რათა მიიღონ მასალები, რომლებიც უფრო მეტად ემთხვევა ასეთ მძიმე სამუშაო პირობებს. მასალების საიმედოობა არის საკვანძო საკითხი მიმდინარე და ახალი ბირთვული ტექნოლოგიებისთვის, რაც მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს ელექტროსადგურების მშენებლობასა და ექსპლუატაციის ხარჯებზე. ასე რომ, გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს მასალების ინჟინერიას გამძლეობისთვის ხანგრძლივი სიცოცხლის ციკლის განმავლობაში.

მიმდინარე კვლევისთვის, კალიფორნიის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა, სან დიეგოში, დაბომბეს ვოლფრამი ჰელიუმის პლაზმით დაბალი ენერგიით, ნორმალურ პირობებში შერწყმის რეაქტორის მიბაძვით. იმავდროულად, ORNL-ის მკვლევარებმა გამოიყენეს მრავალჯერადი იონის კვლევის დაწესებულება ვოლფრამის შეტევისთვის მაღალი ენერგიის ჰელიუმის იონებით, რომლებიც ამსგავსებენ იშვიათ პირობებს, როგორიცაა პლაზმის რღვევა, რამაც შეიძლება შეიტანოს არანორმალურად დიდი რაოდენობით ენერგია.

გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპის, სკანირების გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპის, სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპისა და ელექტრონული ნანოკრისტალოგრაფიის გამოყენებით, მეცნიერებმა დაახასიათეს ვოლფრამის კრისტალში ბუშტების ევოლუცია და სტრუქტურების ფორმა და ზრდა, სახელწოდებით "ტენდილები" დაბალი და მაღალი ენერგიის პირობებში. მათ ნიმუშები გაუგზავნეს ფირმას, სახელად AppFive, ელექტრონების პრეცესიული დიფრაქციისთვის, ელექტრონული კრისტალოგრაფიის მოწინავე ტექნიკას, რათა დაედგინათ ზრდის მექანიზმები სხვადასხვა პირობებში.

რამდენიმე წლის განმავლობაში მეცნიერებმა იცოდნენ, რომ ვოლფრამი რეაგირებს პლაზმაზე მეტრის მილიარდი ნაწილის ან ნანომეტრის მასშტაბის კრისტალური ღეროების წარმოქმნით - ერთგვარი პატარა გაზონი. მიმდინარე კვლევამ აჩვენა, რომ დაბალი ენერგიის დაბომბვის შედეგად წარმოქმნილი ღეროები უფრო ნელა იზრდებოდა, უფრო წვრილად და გლუვდებოდა - ქმნიდა უფრო მკვრივ ხალიჩას, ვიდრე მაღალი ენერგიის თავდასხმის შედეგად წარმოქმნილი.

მეტალებში ატომები იღებენ მოწესრიგებულ სტრუქტურულ განლაგებას მათ შორის განსაზღვრული სივრცეებით. თუ ატომი გადაადგილებულია, ცარიელი ადგილი ან „ვაკანსია“ რჩება. თუ გამოსხივება, ბილიარდის ბურთის მსგავსად, ატომებს ადგილიდან ჩამოაგდებს და ვაკანსიას ტოვებს, ეს ატომი სადმე უნდა წავიდეს. ის თავს იყრის კრისტალის სხვა ატომებს შორის და ხდება ინტერსტიციული.

შერწყმის რეაქტორის ნორმალური ფუნქციონირება დივერტორს ექვემდებარება ძალიან დაბალი ენერგიის ჰელიუმის ატომების მაღალ ნაკადს. „ჰელიუმის იონი საკმარისად ძლიერად არ ურტყამს ბილიარდის ბურთის შეჯახებას, ამიტომ ის უნდა შეიპაროს გისოსებში, რათა დაიწყოს ბუშტების ან სხვა დეფექტების წარმოქმნა“, - განმარტა პარიშმა.

თეორეტიკოსებმა, როგორიცაა ბრაიან ვირტი, UT-ORNL-ის გუბერნატორის თავმჯდომარე, მოახდინეს სისტემის მოდელირება და მიაჩნიათ, რომ მასალა, რომელიც ბადებს გისოსებიდან ბუშტების წარმოქმნისას, ხდება ღეროების სამშენებლო ბლოკები. ჰელიუმის ატომები გისოსებს შემთხვევით ტრიალებს, თქვა პარიშმა. ისინი ეჯახებიან სხვა ჰელიუმებს და უერთდებიან ძალებს. საბოლოოდ კლასტერი საკმარისად დიდია იმისთვის, რომ ვოლფრამის ატომს ადგილიდან ჩამოაგდოს.

„ყოველთვის, როცა ბუშტი იზრდება, ის უბიძგებს კიდევ რამდენიმე ვოლფრამის ატომს მათი ადგილებიდან და ისინი სადმე უნდა წავიდნენ. ისინი მიიზიდავენ ზედაპირს“, - თქვა პარიშმა. ”ჩვენ გვჯერა, რომ ეს არის მექანიზმი, რომლითაც ყალიბდება ეს ნანოფუზი.”

გამოთვლითი მეცნიერები აწარმოებენ სიმულაციებს სუპერკომპიუტერებზე, რათა შეისწავლონ მასალები მათ ატომურ დონეზე, ან ნანომეტრის ზომისა და ნანოწამის დროის მასშტაბებით. ინჟინრები იკვლევენ, როგორ მტვრევადია მასალები, იბზარება და სხვაგვარად იქცევიან პლაზმასთან ხანგრძლივი ზემოქმედების შემდეგ, სანტიმეტრის სიგრძისა და საათობრივი მასშტაბებით. „მაგრამ მცირე მეცნიერება იყო მათ შორის“, - თქვა პარიშმა, რომლის ექსპერიმენტმა შეავსო ეს ცოდნის ხარვეზი, რათა შეესწავლა მატერიალური დეგრადაციის პირველი ნიშნები და ნანოტენდრილების ზრდის ადრეული ეტაპები.

ასე რომ, fuzz კარგია თუ ცუდი? „ფუზს, სავარაუდოდ, აქვს როგორც მავნე, ასევე სასარგებლო თვისებები, მაგრამ სანამ ამის შესახებ მეტი არ ვიცით, ჩვენ ვერ შევქმნით მასალებს, რათა შევეცადოთ ცუდის აღმოფხვრა და კარგის ხაზგასმა“, - თქვა პარიშმა. დადებითი მხარეა, რომ ბუნდოვანმა ვოლფრამმა შეიძლება მიიღოს სითბოს დატვირთვა, რომელიც გატეხავს ვოლფრამის ნაყარს, ხოლო ეროზია ბუნდოვანში 10-ჯერ ნაკლებია, ვიდრე ნაყარი ვოლფრამი. მინუს მხრივ, ნანოტენდრილებს შეუძლიათ გატეხონ და წარმოქმნან მტვერი, რომელსაც შეუძლია პლაზმის გაგრილება. მეცნიერთა შემდეგი მიზანია გაიგონ, თუ როგორ ვითარდება მასალა და რამდენად ადვილია ნანოტენდრილების ზედაპირიდან მოშორება.

ORNL-ის პარტნიორებმა გამოაქვეყნეს ბოლო სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის ექსპერიმენტები, რომლებიც ასახავს ვოლფრამის ქცევას. ერთმა კვლევამ აჩვენა, რომ ცხავის ზრდა არ მიმდინარეობდა რაიმე სასურველი ორიენტირებით. კიდევ ერთმა კვლევამ აჩვენა, რომ პლაზმური ვოლფრამის რეაქცია ჰელიუმის ატომის ნაკადზე განვითარდა მხოლოდ ნანოფუზიდან (დაბალი ნაკადით) ნანოფუზ პლუს ბუშტებამდე (მაღალი ნაკადის დროს).

მიმდინარე ნაშრომის სათაურია „ჰელიუმის ზემოქმედების ქვეშ მოყვანილი ვოლფრამის ნანოტენდრილების მორფოლოგია“.