E Fusiounsreaktor ass wesentlech eng magnetesch Fläsch déi déiselwecht Prozesser enthält déi an der Sonn optrieden. Deuterium an Tritium Brennstoffer fusionéieren fir en Damp vun Heliumionen, Neutronen an Hëtzt ze bilden. Wéi dësen waarmen, ioniséierte Gas - Plasma genannt - verbrennt, gëtt dës Hëtzt op Waasser transferéiert fir Damp ze maachen fir Turbinen ze maachen déi Elektrizitéit generéieren. Den iwwerhëtzten Plasma stellt eng konstant Bedrohung fir d'Reaktormauer an den Divertor duer (déi Offall aus dem Betribsreaktor läscht fir de Plasma waarm genuch ze halen fir ze brennen).

"Mir probéieren d'fundamental Verhalen vu Plasma-viséierte Materialien ze bestëmmen mam Zil d'Degradatiounsmechanismen besser ze verstoen sou datt mir robust, nei Materialien kënne konstruéieren", sot de Materialwëssenschaftler Chad Parish vum Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Hien ass Senior Autor vun enger Etude am JournalWëssenschaftlech Berichterdatt d'Degradatioun vu Wolfram ënner reaktorrelevante Bedéngungen exploréiert huet.

Well Wolfram den héchste Schmelzpunkt vun alle Metaller huet, ass et e Kandidat fir Plasma-konfrontéiert Materialien. Wéinst senger Brëtschheet wier awer eng kommerziell Kraaftwierk méi wahrscheinlech aus enger Wolframlegierung oder Komposit gemaach. Egal, léieren iwwer wéi energesch Atombombardement Wolfram mikroskopesch beaflosst hëlleft Ingenieuren nuklear Materialien ze verbesseren.

"Bannent enger Fusiounskraaftwierk ass déi brutalsten Ëmfeldingenieuren déi jeemools gefrot gi sinn Material ze designen fir", sot Parish. "Et ass méi schlëmm wéi den Interieur vun engem Jetmotor."

D'Fuerscher studéieren d'Interaktioun vu Plasma a Maschinnkomponenten fir Materialien ze maachen déi méi wéi e Match fir sou haart Operatiounsbedéngungen sinn. Material Zouverlässegkeet ass e Schlësselproblem mat aktuellen an neien nuklearen Technologien, déi e wesentlechen Impakt op d'Konstruktioun an d'Operatiounskäschte vu Kraaftwierker hunn. Also ass et kritesch Materialien fir d'Häertegkeet iwwer laang Liewenszyklusen ze designen.

Fir déi aktuell Etude, Fuerscher vun der University of California, San Diego, bombardéiert Wolfram mat Helium Plasma bei niddregen Energie e Fusiounsreaktor ënner normalen Konditiounen mimicking. Mëttlerweil hunn d'Fuerscher vun ORNL d'Multicharged Ion Research Facility benotzt fir Wolfram mat héijer Energie Heliumionen z'attackéieren, déi seelen Konditiounen emuléieren, sou wéi eng Plasma Stéierung déi eng anormal grouss Quantitéit un Energie deposéiere kéint.

Mat Hëllef vun Transmissiounselektronenmikroskopie, Scannentransmissionselektronenmikroskopie, Scannenelektronenmikroskopie an Elektronennanokristallographie, hunn d'Wëssenschaftler d'Evolutioun vu Blasen am Wolframkristall an d'Form an de Wuesstum vu Strukturen genannt "Tendrils" ënner niddereg- an héijen Energiebedéngungen charakteriséiert. Si hunn d'Proben un eng Firma genannt AppFive geschéckt fir Prezessiounselektronendiffraktioun, eng fortgeschratt Elektronenkristallographie Technik, fir Wuesstumsmechanismen ënner verschiddene Konditiounen ofzeschléissen.

Zënter e puer Joer hunn d'Wëssenschaftler gewosst datt Wolfram op Plasma reagéiert andeems se kristallin Kneipen op der Skala vu Milliardenstelen Meter bilden, oder Nanometer - e klengt Rasen vun Zorten. Déi aktuell Etude huet entdeckt datt d'Knollen, déi duerch niddereg-Energie-Bombardement produzéiert goufen, méi lues wuessen, méi fein a méi glatter - en méi dichten Teppech vu Fuzz bilden - wéi déi, déi duerch méi héich-Energieattack erstallt goufen.

A Metaller iwwerhuelen Atomer eng uerdentlech strukturell Arrangement mat definéierte Raum tëscht hinnen. Wann en Atom verdrängt ass, bleift eng eidel Plaz oder "Vacance". Wann d'Stralung, wéi e Billiardkugel, en Atom vu sengem Site klappt an eng Vakanz léisst, muss deen Atom iergendwou goen. Et kräizt sech tëscht aneren Atomer am Kristall a gëtt en Interstitial.

Normal Fusioun-Reaktor Operatioun exponéiert den Divertor zu engem héije Flux vu ganz nidderegen Energie Heliumatome. "En Heliumion schléit net schwéier genuch fir d'Billiardkugelkollisioun ze maachen, also muss et an d'Gitter schneien fir Blasen oder aner Mängel ze bilden," erkläert Parish.

Theoretiker wéi de Brian Wirth, en UT-ORNL Gouverneurspresident, hunn de System modelléiert a gleewen datt d'Material dat aus dem Gitter verdrängt gëtt wann Blasen bilden d'Bausteng vun de Knollen ginn. Heliumatome wandelen zoufälleg ronderëm d'Gitter, sot Parish. Si stoussen an aner Heliums a verbannen Kräfte. Schlussendlech ass de Stärekoup grouss genuch fir e Wolframatom vu sengem Site ze schloen.

"All Kéier wann d'Bubble wiisst, dréckt se e puer méi Wolframatome vun hire Site, a si mussen iergendwou goen. Si ginn op d'Uewerfläch ugezunn, "sot Parish. "Dat, mir gleewen, ass de Mechanismus duerch deen dësen Nanofuzz ​​formt."

Computational Wëssenschaftler lafen Simulatioune op Supercomputer fir Materialien op hirem atomesche Niveau ze studéieren, oder Nanometergréisst an Nanosekonnen Zäitskala. D'Ingenieuren entdecken wéi d'Material brécheg, knacken, an soss behuelen sech no laanger Belaaschtung fir Plasma, op Zentimeter Längt a Stonn Zäit Skala. "Awer et war wéineg Wëssenschaft tëscht," sot de Parish, deem säin Experiment dëse Wëssenslück gefëllt huet fir déi éischt Zeeche vu materieller Degradatioun an de fréie Stadien vum Nanotendril Wuesstum ze studéieren.

Also ass Fuzz gutt oder schlecht? "Fuzz ass méiglecherweis souwuel schiedlech wéi och profitabel Eegeschaften, awer bis mir méi doriwwer wëssen, kënne mir keng Materialien konstruéieren fir ze probéieren dat Schlecht ze eliminéieren wärend dat Gutt betount," sot Parish. Op der Plus Säit, fuzzy Wolfram kéint Hëtztbelaaschtung huelen, déi Bulk Wolfram knacken, an d'Erosioun ass 10 Mol manner am Fuzzy wéi Bulk Wolfram. Op der Minus Säit kënnen Nanotendrillen ofbriechen, an e Stëbs bilden deen Plasma kille kann. D'nächst Zil vun de Wëssenschaftler ass ze léieren wéi d'Material sech entwéckelt a wéi einfach et ass d'Nanoendrillen vun der Uewerfläch ze briechen.

D'ORNL Partner publizéiert rezent Scannen Elektronenmikroskopie Experimenter déi Wolfram Verhalen beliichten. Eng Etude huet gewisen, datt de Wuesstum vun de Wuerzelen net an enger bevorzugter Orientéierung weidergeet. Eng aner Untersuchung huet verroden datt d'Äntwert vu Plasma-konfrontéiert Wolfram op Heliumatom Flux vun Nanofuzz ​​nëmmen (beim nidderegen Flux) op Nanofuzz ​​plus Bubbles (beim héije Flux) evoluéiert huet.

Den Titel vum aktuelle Pabeier ass "Morphologien vu Wolfram Nanotendrillen, déi ënner Heliumbelaaschtung ugebaut ginn."