Термоядролық реактор негізінен күнде болатын процестерді қамтитын магниттік бөтелке болып табылады. Дейтерий мен тритий отындары қосылып гелий иондарының, нейтрондардың және жылудың буын түзеді. Плазма деп аталатын ыстық, иондалған газ жанғанда, бұл жылу электр энергиясын өндіретін турбиналарды айналдыру үшін бу жасау үшін суға беріледі. Өте қызған плазма реактор қабырғасына және диверторға тұрақты қауіп төндіреді (ол плазманы жану үшін жеткілікті ыстық ұстау үшін жұмыс істеп тұрған реактордан қалдықтарды алып тастайды).

«Біз берік, жаңа материалдарды құрастыру үшін деградация механизмдерін жақсырақ түсіну мақсатында плазмамен бетпе-бет келетін материалдардың негізгі әрекетін анықтауға тырысамыз», - деді Оак жотасының энергетика департаментінің ұлттық зертханасының материалды зерттеушісі Чад Париш. Ол журналдағы зерттеудің аға авторыҒылыми есептерреакторға сәйкес жағдайларда вольфрамның ыдырауын зерттеді.

Вольфрам барлық металдардың ең жоғары балқу температурасына ие болғандықтан, ол плазмалық материалдарға үміткер болып табылады. Алайда, оның сынғыштығына байланысты коммерциялық электр станциясы вольфрам қорытпасынан немесе композиттен жасалған болуы мүмкін. Қарамастан, энергетикалық атомдық бомбалау вольфрамға микроскопиялық түрде қалай әсер ететінін білу инженерлерге ядролық материалдарды жақсартуға көмектеседі.

«Фьюзиялық электр станциясының ішінде инженерлерден материалдарды жобалауды сұраған ең қатыгез орта бар», - деді Париж. «Бұл реактивті қозғалтқыштың ішкі бөлігінен де нашар».

Зерттеушілер плазма мен машина құрамдастарының өзара әрекеттесуін зерттеп, осындай қатал жұмыс жағдайларына сәйкес келмейтін материалдарды жасауда. Материалдардың сенімділігі электр станцияларының құрылысы мен пайдалану шығындарына айтарлықтай әсер ететін қазіргі және жаңа ядролық технологиялардың негізгі мәселесі болып табылады. Сондықтан ұзақ өмірлік циклде төзімділік үшін материалдарды инженерлік ету өте маңызды.

Ағымдағы зерттеу үшін Калифорния университетінің зерттеушілері, Сан-Диего, вольфрамды гелий плазмасымен қалыпты жағдайда термоядролық реакторға ұқсайтын төмен энергиямен бомбалады. Сонымен қатар, ORNL зерттеушілері көп зарядталған ионды зерттеу қондырғысын вольфрамды жоғары энергиялы гелий иондарымен ұрып-соғу үшін пайдаланды, мысалы, плазманың бұзылуы, әдеттен тыс үлкен мөлшерде энергия жинауы мүмкін.

Ғалымдар трансмиссиялық электронды микроскопияны, сканерлеуші ​​электронды микроскопияны, сканерлеуші ​​электронды микроскопияны және электронды нанокристаллографияны пайдалана отырып, ғалымдар вольфрам кристалындағы көпіршіктердің эволюциясын және төмен және жоғары энергия жағдайында «тұмырлар» деп аталатын құрылымдардың пішіні мен өсуін сипаттады. Олар үлгілерді AppFive деп аталатын фирмаға әртүрлі жағдайларда өсу механизмдерін анықтау үшін электронды кристаллографияның жетілдірілген әдісі болып табылатын прецессиялық электронды дифракция үшін жіберді.

Ғалымдар бірнеше жыл бойы вольфрам плазмаға метрдің миллиардтан бір бөлігі немесе нанометрлер масштабындағы кристалды тарамдар түзу арқылы жауап беретінін білді - кішкентай көгалдар. Ағымдағы зерттеу энергиясы аз бомбалау нәтижесінде пайда болған бұтақтардың баяу өсетінін, жұқа және тегіс болатынын анықтады, бұл жоғары энергиялы шабуылмен жасалғандарға қарағанда тығызырақ кілемді қалыптастырады.

Металдарда атомдар олардың арасында белгілі кеңістіктері бар реттелген құрылымдық орналасуды қабылдайды. Егер атом орын ауыстырса, бос орын немесе «бос орын» қалады. Егер радиация бильярд добы сияқты атомды өз орнынан қағып, бос орын қалдырса, бұл атом бір жерге баруы керек. Ол кристалдағы басқа атомдар арасында қысылып, интерстициалға айналады.

Термоядролық реактордың қалыпты жұмысы диверторды өте төмен энергиялы гелий атомдарының жоғары ағынына ұшыратады. «Гелий ионы бильярд доптарымен соқтығысуға жеткілікті қатты соқпайды, сондықтан көпіршіктер немесе басқа ақаулар пайда болуы үшін ол торға жасырын түрде енуі керек», - деп түсіндірді Париш.

UT-ORNL губернаторының төрағасы Брайан Вирт сияқты теоретиктер жүйені модельдеді және көпіршіктер пайда болған кезде тордан ығысатын материал сіңірлердің құрылыс блоктарына айналады деп санайды. Гелий атомдары тордың айналасында кездейсоқ айналады, дейді Париш. Олар басқа гелийлерге соқтығысып, күштерін біріктіреді. Ақырында, кластер вольфрам атомын өз орнынан шығаруға жеткілікті үлкен.

«Көпіршік өскен сайын ол тағы бірнеше вольфрам атомдарын өз орындарынан итеріп жібереді және олар бір жерге баруы керек. Олар жер бетіне тартылады », - деді Париш. «Бұл, біздің ойымызша, бұл нанофузды құрайтын механизм».

Есептеуіш ғалымдар материалдарды атом деңгейінде немесе нанометрлік өлшемде және наносекундтық уақыт шкалаларында зерттеу үшін суперкомпьютерлерде модельдеу жұмыстарын жүргізеді. Инженерлер плазмаға ұзақ әсер еткеннен кейін материалдардың қалай сынатынын, жарылып кететінін және басқаша әрекет ететінін сантиметрлік ұзындық пен сағаттық уақыт шкаласы бойынша зерттейді. «Бірақ олардың арасында ғылым аз болды», - деді Париш, оның эксперименті материалдың деградациясының алғашқы белгілерін және нанотендриль өсуінің бастапқы кезеңдерін зерттеу үшін осы білім алшақтығын толтырды.

Сонымен, былғары жақсы ма, әлде жаман ба? «Фузздың зиянды және пайдалы қасиеттері болуы мүмкін, бірақ біз бұл туралы көбірек білмейінше, біз жақсыны баса отырып, жамандықты жоюға тырысатын материалдарды құрастыра алмаймыз», - деді Париш. Бір жақсысы, бұлыңғыр вольфрам сусымалы вольфрамды жарып жіберетін жылу жүктемелерін қабылдауы мүмкін, ал эрозия бұлыңғыр вольфрамға қарағанда 10 есе аз. Минус жағынан, нанотендрилдер үзіліп, плазманы салқындата алатын шаң түзуі мүмкін. Ғалымдардың келесі мақсаты - материалдың қалай дамитынын және нанотендрилдерді бетінен алу қаншалықты оңай екенін білу.

ORNL серіктестері вольфрам әрекетін жарықтандыратын соңғы сканерлеуші ​​электронды микроскопиялық тәжірибелерді жариялады. Бір зерттеу сіңірлердің өсуі кез келген қолайлы бағытта жүрмейтінін көрсетті. Тағы бір зерттеу көрсеткендей, плазмадағы вольфрамның гелий атомының ағынына реакциясы тек нанофаздан (төмен ағында) нанофаздан плюс көпіршіктерге (жоғары ағында) эволюцияланған.

Қазіргі мақаланың тақырыбы «Гелий әсерінен өскен вольфрам нанотендрилдерінің морфологиясы».