Kodolsintēzes reaktors būtībā ir magnētiska pudele, kurā ir tie paši procesi, kas notiek saulē. Deitērija un tritija degvielas saplūst, veidojot hēlija jonu, neitronu un siltuma tvaikus. Šai karstajai, jonizētajai gāzei, ko sauc par plazmu, sadedzinot, šis siltums tiek pārnests uz ūdeni, lai radītu tvaiku, lai pārvērstu turbīnas, kas ražo elektrību. Pārkarsētā plazma rada pastāvīgus draudus reaktora sienai un divertoram (kas izņem atkritumus no strādājošā reaktora, lai plazma būtu pietiekami karsta, lai sadedzinātu).

"Mēs cenšamies noteikt uz plazmu vērstu materiālu fundamentālo uzvedību, lai labāk izprastu degradācijas mehānismus, lai mēs varētu izstrādāt izturīgus, jaunus materiālus," sacīja materiālu zinātnieks Čads Parishs no Enerģētikas departamenta Ouk Ridžas Nacionālās laboratorijas. Viņš ir žurnāla pētījuma vecākais autorsZinātniskie ziņojumikas pētīja volframa degradāciju ar reaktoru saistītos apstākļos.

Tā kā volframam ir visaugstākā kušanas temperatūra no visiem metāliem, tas ir kandidāts materiāliem, kas vērsti uz plazmu. Tomēr trausluma dēļ komerciāla spēkstacija, visticamāk, būtu izgatavota no volframa sakausējuma vai kompozītmateriāla. Neatkarīgi no tā, mācīšanās par to, kā enerģiska atomu bombardēšana mikroskopiski ietekmē volframu, palīdz inženieriem uzlabot kodolmateriālus.

"Kodolsintēzes spēkstacijā atrodas visbrutālākās vides inženieriem, kam jebkad ir lūgts izstrādāt materiālus," sacīja Parishs. "Tas ir sliktāk nekā reaktīvā dzinēja iekšpuse."

Pētnieki pēta plazmas un mašīnu komponentu mijiedarbību, lai izgatavotu materiālus, kas ir vairāk nekā piemēroti tik skarbiem darbības apstākļiem. Materiālu uzticamība ir galvenā problēma pašreizējām un jaunajām kodoltehnoloģijām, kas būtiski ietekmē spēkstaciju būvniecības un ekspluatācijas izmaksas. Tāpēc ir ļoti svarīgi izstrādāt materiālus, lai tie būtu izturīgi ilgā dzīves ciklā.

Pašreizējā pētījumā Kalifornijas Universitātes Sandjego pētnieki bombardēja volframu ar hēlija plazmu ar zemu enerģiju, imitējot kodolsintēzes reaktoru normālos apstākļos. Tikmēr ORNL pētnieki izmantoja daudzuzlādēto jonu pētniecības iekārtu, lai uzbruktu volframam ar augstas enerģijas hēlija joniem, kas imitē retus apstākļus, piemēram, plazmas traucējumus, kas varētu nogulsnēt neparasti lielu enerģijas daudzumu.

Izmantojot transmisijas elektronu mikroskopiju, skenējošo transmisijas elektronu mikroskopiju, skenējošo elektronu mikroskopiju un elektronu nanokristalogrāfiju, zinātnieki raksturoja burbuļu veidošanos volframa kristālā un struktūru, ko sauc par "stīgām", formu un augšanu zemas un augstas enerģijas apstākļos. Viņi nosūtīja paraugus firmai AppFive precesijas elektronu difrakcijai, progresīvai elektronu kristalogrāfijas tehnikai, lai secinātu augšanas mehānismus dažādos apstākļos.

Zinātnieki jau dažus gadus ir zinājuši, ka volframs reaģē uz plazmu, veidojot kristāliskas stīgas metra miljardo daļu jeb nanometru mērogā — niecīgu zālienu. Pašreizējais pētījums atklāja, ka stīgas, kas radušās bombardējot ar mazāku enerģiju, aug lēnāk, tās ir smalkākas un gludākas, veidojot blīvāku pūciņu paklāju, nekā tās, kas radušās, izmantojot lielāku enerģiju.

Metālos atomi ieņem sakārtotu strukturālu izvietojumu ar noteiktām atstarpēm starp tiem. Ja atoms tiek pārvietots, paliek tukša vieta jeb “vakance”. Ja starojums, tāpat kā biljarda bumba, izsit atomu no savas vietas un atstāj brīvu vietu, šim atomam kaut kur ir jāiet. Tas iesprauž sevi starp citiem kristāla atomiem, kļūstot par intersticiālu.

Normāla kodolsintēzes reaktora darbība pakļauj novirzītāju lielai ļoti zemas enerģijas hēlija atomu plūsmai. "Hēlija jons netrāpa pietiekami spēcīgi, lai veiktu biljarda bumbas sadursmi, tāpēc tam ir jāiekļaujas režģī, lai sāktu veidot burbuļus vai citus defektus," paskaidroja Parish.

Teorētiķi, piemēram, Braiens Virts, UT-ORNL gubernatora krēsls, ir modelējuši sistēmu un uzskata, ka materiāls, kas tiek izspiests no režģa, veidojoties burbuļiem, kļūst par stīgu blokiem. Hēlija atomi klīst ap režģi nejauši, sacīja Parishs. Viņi saduras ar citiem hēlijiem un apvieno spēkus. Galu galā kopa ir pietiekami liela, lai no tās vietas izgāztu volframa atomu.

"Katru reizi, kad burbulis aug, tas izstumj vēl pāris volframa atomus no savām vietām, un tiem ir kaut kur jādodas. Viņi tiks piesaistīti virsmai, ”sacīja Parishs. "Mēs uzskatām, ka tas ir mehānisms, ar kuru veidojas šī nanofūza."

Datorzinātnieki veic simulācijas superdatoros, lai pētītu materiālus to atomu līmenī vai nanometru lielumā un nanosekundes laika skalās. Inženieri pēta, kā materiāli trausls, plaisā un citādi uzvedas pēc ilgstošas ​​plazmas iedarbības centimetru garuma un stundu laika skalā. "Taču starpā bija maz zinātnes," sacīja Parishs, kura eksperiments aizpildīja šo zināšanu trūkumu, lai izpētītu pirmās materiāla degradācijas pazīmes un nanostieļu augšanas sākuma stadijas.

Tātad, vai pūciņa ir laba vai slikta? "Visticamāk, pūkai ir gan kaitīgas, gan labvēlīgas īpašības, taču, kamēr mēs par to nezinām vairāk, mēs nevaram izstrādāt materiālus, lai mēģinātu novērst slikto, vienlaikus akcentējot labo," sacīja Parishs. Pozitīvi ir tas, ka izplūdušajam volframam var būt siltuma slodze, kas varētu saplaisāt lielapjoma volframā, un izplūdušajā volframā erozija ir 10 reizes mazāka nekā lielapjoma volframa gadījumā. Mīnusos ir tas, ka nanostieples var nolauzties, veidojot putekļus, kas var atdzesēt plazmu. Nākamais zinātnieku mērķis ir uzzināt, kā materiāls attīstās un cik viegli ir nojaukt nanostiepļus no virsmas.

ORNL partneri publicēja nesenus skenēšanas elektronu mikroskopijas eksperimentus, kas izgaismo volframa uzvedību. Viens pētījums parādīja, ka ūsiņu augšana nenotika nevienā vēlamajā orientācijā. Cits pētījums atklāja, ka uz plazmu vērsta volframa reakcija uz hēlija atomu plūsmu attīstījās tikai no nanofūzas (pie zemas plūsmas) uz nanofuzz ​​plus burbuļiem (pie lielas plūsmas).

Pašreizējā raksta nosaukums ir “Volframa nanostieļu morfoloģijas, kas audzētas zem hēlija iedarbības”.