Sintezės reaktorius iš esmės yra magnetinis butelis, kuriame yra tie patys procesai, kurie vyksta saulėje. Deuterio ir tričio kuras susilieja, kad susidarytų helio jonų, neutronų ir šilumos garai. Kai šios karštos, jonizuotos dujos, vadinamos plazma, dega, ši šiluma perduodama vandeniui, kad garai paverstų turbinas, gaminančias elektrą. Perkaitinta plazma nuolat kelia grėsmę reaktoriaus sienelei ir divertatoriui (kuris pašalina atliekas iš veikiančio reaktoriaus, kad plazma būtų pakankamai karšta, kad galėtų degti).

„Mes stengiamės nustatyti pagrindinį su plazma susijusių medžiagų elgesį, siekdami geriau suprasti skilimo mechanizmus, kad galėtume sukurti tvirtas, naujas medžiagas“, – sakė medžiagų mokslininkas Chadas Parishas iš Energetikos departamento Oak Ridge nacionalinės laboratorijos. Jis yra vyresnysis žurnalo tyrimo autoriusMokslinės ataskaitoskuriame buvo tiriamas volframo skilimas reaktoriui svarbiomis sąlygomis.

Kadangi volframas turi aukščiausią lydymosi temperatūrą iš visų metalų, jis gali būti naudojamas kaip medžiaga, padengta plazma. Tačiau dėl savo trapumo komercinė elektrinė greičiausiai būtų pagaminta iš volframo lydinio arba kompozito. Nepaisant to, mokymasis apie tai, kaip energingas atominis bombardavimas mikroskopiškai veikia volframą, padeda inžinieriams tobulinti branduolines medžiagas.

„Bendrojo sintezės jėgainės viduje yra pati žiauriausia aplinkos inžinierių, kurių kada nors buvo paprašyta sukurti medžiagas“, – sakė Parish. „Tai blogiau nei reaktyvinio variklio vidus.

Tyrėjai tiria plazmos ir mašinų komponentų sąveiką, kad sukurtų medžiagas, kurios labiau tinka tokioms atšiaurioms darbo sąlygoms. Medžiagų patikimumas yra pagrindinis dabartinių ir naujų branduolinių technologijų klausimas, turintis didelę įtaką elektrinių statybos ir eksploatavimo išlaidoms. Todėl labai svarbu suprojektuoti medžiagas, kad jos būtų atsparios ilgą gyvavimo ciklą.

Atliekant dabartinį tyrimą, Kalifornijos universiteto San Diege mokslininkai volframą bombardavo helio plazma esant žemai energijai, imituojant sintezės reaktorių normaliomis sąlygomis. Tuo tarpu ORNL mokslininkai naudojo Multicharged Ion Research Facility, norėdami užpulti volframą didelės energijos helio jonais, imituojančiais retas sąlygas, tokias kaip plazmos sutrikimas, galintis nusėsti neįprastai daug energijos.

Naudodami transmisijos elektronų mikroskopiją, skenuojamąją elektronų mikroskopiją, skenuojančią elektronų mikroskopiją ir elektronų nanokristalografiją, mokslininkai apibūdino burbuliukų evoliuciją volframo kristaluose ir struktūrų, vadinamų „sūskliukais“, formą ir augimą mažos ir didelės energijos sąlygomis. Jie nusiuntė mėginius įmonei, vadinamai AppFive, kad būtų galima atlikti precesijos elektronų difrakciją, pažangią elektronų kristalografijos techniką, kad nustatytų augimo mechanizmus skirtingomis sąlygomis.

Jau keletą metų mokslininkai žinojo, kad volframas reaguoja į plazmą sudarydamas milijardinių metro dalių arba nanometrų skalę kristalines ūseliais – mažytę pievelę. Dabartinis tyrimas atskleidė, kad mažesnės energijos bombardavimo metu susidarę ūseliai augo lėčiau, smulkesni ir lygesni, sudarydami tankesnį pūkelių kilimą, nei susidariusios didesnės energijos atakos metu.

Metaluose atomai įgauna tvarkingą struktūrinį išsidėstymą su apibrėžtomis erdvėmis tarp jų. Jei atomas pasislenka, lieka tuščia vieta arba „laisva vieta“. Jei spinduliuotė, kaip biliardo kamuolys, išmuša atomą iš savo vietos ir palieka laisvą vietą, tas atomas turi kažkur pasitraukti. Jis įsiterpia tarp kitų kristalo atomų, tapdamas intersticiniu elementu.

Įprastas branduolių sintezės reaktoriaus veikimas nukreipia jį į didelį labai mažos energijos helio atomų srautą. „Helio jonas neveikia pakankamai stipriai, kad galėtų susidurti su biliardo kamuoliu, todėl jis turi prasiskverbti į grotelę, kad pradėtų formuotis burbuliukai ar kiti defektai“, – paaiškino Parish.

Teoretikai, tokie kaip Brianas Wirthas, UT-ORNL valdytojo kėdė, sumodeliavo sistemą ir mano, kad medžiaga, kuri pasislenka iš grotelių, kai susidaro burbuliukai, tampa ūselių statybiniais blokais. Helio atomai aplink grotelę klaidžioja atsitiktinai, sakė Parish. Jie atsitrenkia į kitus helius ir sujungia jėgas. Galų gale klasteris yra pakankamai didelis, kad išmuštų iš savo vietos volframo atomą.

„Kiekvieną kartą, kai burbulas auga, jis išstumia dar porą volframo atomų iš savo vietų, ir jie turi kažkur eiti. Juos patrauks paviršius“, – sakė Parish. "Mes manome, kad tai yra mechanizmas, kuriuo susidaro šis nanofuzz".

Skaičiavimo mokslininkai atlieka modeliavimą superkompiuteriuose, kad ištirtų medžiagas jų atominiu lygiu arba nanometrų dydžiu ir nanosekundžių laiko skalėmis. Inžinieriai tyrinėja, kaip medžiagos trapūs, trūkinėja ir kitaip elgiasi po ilgo poveikio plazmoje centimetro ilgio ir valandų skalėje. „Tačiau tarp jų buvo mažai mokslo“, - sakė Parishas, ​​kurio eksperimentas užpildė šią žinių spragą, kad ištirtų pirmuosius medžiagų skilimo požymius ir ankstyvąsias nanotirpelių augimo stadijas.

Taigi, pūkas yra geras ar blogas? „Tikėtina, kad pūkas turi ir žalingų, ir naudingų savybių, bet kol nežinome daugiau apie tai, negalime sukurti medžiagų, kurios pabandytų pašalinti blogus dalykus ir akcentuoti gėrį“, – sakė Parish. Teigiama yra tai, kad neryškus volframas gali atlaikyti šilumos apkrovas, kurios suskaidytų masinį volframą, o erozija yra 10 kartų mažesnė neryškiame volframe nei biriame volframe. Iš minusų galima pastebėti, kad nanotūselės gali nulūžti, sudarydamos dulkes, kurios gali atvėsinti plazmą. Kitas mokslininkų tikslas yra sužinoti, kaip medžiaga vystosi ir kaip lengva nulaužti nanosūdelius nuo paviršiaus.

ORNL partneriai paskelbė naujausius skenuojančios elektroninės mikroskopijos eksperimentus, kurie apšviečia volframo elgesį. Vienas tyrimas parodė, kad ūselių augimas nevyksta jokia pageidaujama kryptimi. Kitas tyrimas atskleidė, kad į plazmą nukreipto volframo atsakas į helio atomo srautą išsivystė tik nuo nanofuzo (esant mažam srautui) iki nanofuzo plius burbuliukų (esant dideliam srautui).

Dabartinio dokumento pavadinimas yra „Volframo nanotrumpelių, auginamų veikiant heliu, morfologijos“.