핵융합로는 본질적으로 태양에서 일어나는 것과 동일한 과정을 담고 있는 자석 병입니다. 중수소와 삼중수소 연료가 융합되어 헬륨 이온, 중성자 및 열 증기를 형성합니다. 플라즈마라고 불리는 이 뜨겁고 이온화된 가스가 연소되면서 그 열이 물로 전달되어 증기를 만들어 전기를 생산하는 터빈을 돌립니다. 과열된 플라즈마는 반응기 벽과 전환기(플라즈마를 태울 수 있을 만큼 뜨거운 상태로 유지하기 위해 작동 중인 반응기에서 폐기물을 제거함)에 지속적인 위협을 가합니다.

에너지부 오크리지 국립연구소(Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory)의 재료 과학자 Chad Parish는 "우리는 강건하고 새로운 재료를 엔지니어링할 수 있도록 분해 메커니즘을 더 잘 이해한다는 목표로 플라즈마 직면 재료의 기본적인 동작을 결정하려고 노력하고 있습니다."라고 말했습니다. 그는 저널에 실린 연구의 수석 저자입니다.과학 보고서원자로 관련 조건에서 텅스텐의 분해를 탐구했습니다.

텅스텐은 모든 금속 중에서 녹는점이 가장 높기 때문에 플라즈마 직면 재료로 적합합니다. 그러나 취성으로 인해 상업용 발전소는 텅스텐 합금이나 복합재로 만들어질 가능성이 높습니다. 그럼에도 불구하고, 활발한 원자폭격이 텅스텐에 현미경으로 어떤 영향을 미치는지 배우는 것은 엔지니어들이 핵 물질을 개선하는 데 도움이 됩니다.

“핵융합 발전소 내부에는 엔지니어들이 재료 설계를 요청받은 것 중 가장 가혹한 환경이 있습니다.”라고 Parish는 말했습니다. “제트 엔진 내부보다 더 나쁘다.”

연구자들은 그러한 가혹한 작동 조건에 더 잘 맞는 재료를 만들기 위해 플라즈마와 기계 구성 요소의 상호 작용을 연구하고 있습니다. 재료 신뢰성은 발전소의 건설 및 운영 비용에 상당한 영향을 미치는 현재 및 새로운 원자력 기술의 핵심 문제입니다. 따라서 긴 수명 주기에 걸쳐 재료를 견고하게 설계하는 것이 중요합니다.

현재 연구를 위해 샌디에이고 캘리포니아 대학교 연구원들은 정상적인 조건에서 핵융합로를 모방한 저에너지에서 헬륨 플라즈마로 텅스텐에 충격을 가했습니다. 한편, ORNL의 연구원들은 비정상적으로 많은 양의 에너지를 축적할 수 있는 플라즈마 파괴와 같은 희귀한 조건을 모방하는 고에너지 헬륨 이온으로 텅스텐을 공격하기 위해 다중하전 이온 연구 시설을 사용했습니다.

투과전자현미경, 주사투과전자현미경, 주사전자현미경, 전자 나노결정학을 사용하여 과학자들은 텅스텐 결정 내 기포의 진화와 저에너지 및 고에너지 조건에서 "덩굴손"이라고 불리는 구조의 모양과 성장을 특성화했습니다. 그들은 다양한 조건에서 성장 메커니즘을 추론하기 위해 고급 전자 결정학 기술인 세차 전자 회절을 위해 샘플을 AppFive라는 회사에 보냈습니다.

몇 년 동안 과학자들은 텅스텐이 10억분의 1미터 또는 나노미터 규모의 작은 잔디밭인 결정질 덩굴손을 형성함으로써 플라즈마에 반응한다는 것을 알고 있었습니다. 현재 연구에서는 저에너지 충격으로 생성된 덩굴손이 고에너지 공격으로 생성된 덩굴손보다 느리게 자라며 더 미세하고 매끄러워서 밀도가 높은 보풀 카펫을 형성한다는 사실을 발견했습니다.

금속에서 원자는 원자 사이에 정의된 공간이 있는 질서정연한 구조 배열을 가정합니다. 원자가 옮겨지면 빈 자리, 즉 “빈 공간”이 남습니다. 당구공과 같은 방사선이 원자를 그 위치에서 떨어뜨려 빈 공간을 남기면 그 원자는 어딘가로 이동해야 합니다. 그것은 결정의 다른 원자 사이에 빽빽이 들어차서 틈새가 됩니다.

정상적인 핵융합로 작동은 전환기를 매우 낮은 에너지의 헬륨 원자의 높은 플럭스에 노출시킵니다. "헬륨 이온은 당구공 충돌을 일으킬 만큼 세게 치지 않기 때문에 거품이나 다른 결함이 형성되기 시작하려면 격자 안으로 몰래 들어가야 합니다."라고 Parish는 설명했습니다.

UT-ORNL 주지사 의장인 Brian Wirth와 같은 이론가들은 시스템을 모델링했으며 거품이 형성될 때 격자에서 옮겨지는 물질이 덩굴손의 구성 요소가 된다고 믿습니다. 헬륨 원자는 격자 주위를 무작위로 돌아다닌다고 Parish는 말했습니다. 그들은 다른 헬륨과 부딪치고 힘을 합친다. 결국 클러스터는 텅스텐 원자를 해당 위치에서 떨어뜨릴 만큼 충분히 커집니다.

“거품이 자랄 때마다 현장에서 텅스텐 원자 두어 개를 더 밀어내고 어딘가로 가야 합니다. 그들은 표면으로 끌릴 것입니다.”라고 Parish는 말했습니다. "우리는 이것이 이 나노퍼즈가 형성되는 메커니즘이라고 믿습니다."

전산 과학자들은 슈퍼컴퓨터에서 시뮬레이션을 실행하여 원자 수준이나 나노미터 크기 및 나노초 시간 규모로 물질을 연구합니다. 엔지니어들은 센티미터 길이와 시간 단위로 플라즈마에 장기간 노출된 후 재료가 어떻게 부서지고 갈라지고 다른 방식으로 거동하는지 탐구합니다. "그러나 그 사이에는 과학이 거의 없었습니다."라고 Parish는 말했습니다. 그의 실험은 재료 분해의 첫 번째 징후와 나노텐드릴 성장의 초기 단계를 연구하기 위해 지식 격차를 메웠습니다.

그럼 퍼즈는 좋은 걸까요, 나쁜 걸까요? "Fuzz는 해로운 특성과 유익한 특성을 모두 가질 가능성이 있지만 이에 대해 더 많이 알 때까지는 좋은 점을 강조하면서 나쁜 점을 제거하는 재료를 설계할 수 없습니다."라고 Parish는 말했습니다. 장점으로는 퍼지 텅스텐이 벌크 텅스텐을 깨뜨릴 만큼의 열 부하를 받을 수 있으며 벌크 텅스텐보다 퍼지에서 침식이 10배 적다는 것입니다. 마이너스 측면에서는 나노덩굴손이 부서져 플라즈마를 냉각시킬 수 있는 먼지를 형성할 수 있습니다. 과학자들의 다음 목표는 물질이 어떻게 진화하는지, 그리고 나노덩굴손을 표면에서 떼어내는 것이 얼마나 쉬운지를 배우는 것입니다.

ORNL 파트너는 텅스텐 거동을 조명하는 최근 주사 전자 현미경 실험을 발표했습니다. 한 연구에서는 덩굴손 성장이 어떤 선호 방향으로도 진행되지 않는 것으로 나타났습니다. 또 다른 조사에서는 헬륨 원자 플럭스에 대한 플라즈마 직면 텅스텐의 반응이 나노퍼즈만(낮은 플럭스에서)에서 나노퍼즈와 기포(높은 플럭스에서)로 진화한 것으로 나타났습니다.

현재 논문의 제목은 "헬륨 노출 하에서 성장한 텅스텐 나노텐드릴의 형태"입니다.