Реактор за фузија во суштина е магнетно шише кое ги содржи истите процеси што се случуваат на сонцето. Горивата на деутериум и тритиум се спојуваат за да формираат пареа од јони на хелиум, неутрони и топлина. Како што согорува овој жежок, јонизиран гас - наречен плазма -, таа топлина се пренесува во вода за да се создаде пареа за да се претворат турбините кои генерираат електрична енергија. Презагреаната плазма претставува постојана закана за ѕидот на реакторот и пренасочувачот (кој го отстранува отпадот од работниот реактор за да ја одржи плазмата доволно жешка за да изгори).

„Се обидуваме да го одредиме фундаменталното однесување на материјалите свртени кон плазма со цел подобро да ги разбереме механизмите на деградација за да можеме да создадеме робусни, нови материјали“, рече научникот за материјали Чад Периш од Националната лабораторија на Одделот за енергија во Оук Риџ. Тој е постар автор на студија во списаниетоНаучни извештаишто ја истражуваше деградацијата на волфрам под услови релевантни за реакторот.

Бидејќи волфрамот има највисока точка на топење од сите метали, тој е кандидат за материјали кои се соочуваат со плазма. Меѓутоа, поради нејзината кршливост, комерцијалната електрана најверојатно ќе биде направена од легура на волфрам или композит. Без разлика, учењето за тоа како енергетското атомско бомбардирање микроскопски влијае на волфрам им помага на инженерите да ги подобрат нуклеарните материјали.

„Внатре во централа за фузија е најбруталната средина за која било побарано од инженерите да дизајнираат материјали“, рече Периш. „Тоа е полошо од внатрешноста на млазен мотор“.

Истражувачите ја проучуваат интеракцијата на плазмата и компонентите на машината за да направат материјали кои се повеќе од соодветни за такви сурови работни услови. Доверливоста на материјалите е клучен проблем со сегашните и новите нуклеарни технологии што има значително влијание врз трошоците за изградба и работа на електраните. Значи, од клучно значење е да се инженерираат материјали за цврстина во текот на долгите животни циклуси.

За тековната студија, истражувачите од Универзитетот во Калифорнија, Сан Диего, бомбардираа волфрам со хелиумска плазма со мала енергија имитирајќи реактор за фузија во нормални услови. Во меѓувреме, истражувачите од ORNL го користеа Истражувачкиот капацитет за повеќеполнети јони за да нападнат волфрам со високоенергетски хелиумски јони кои емулираат ретки состојби, како што е нарушување на плазмата што може да депонира ненормално голема количина на енергија.

Користејќи електронска микроскопија за пренос, електронска микроскопија за скенирање, електронска микроскопија за скенирање и електронска нанокристалографија, научниците ја карактеризираа еволуцијата на меурите во кристалот од волфрам и обликот и растот на структурите наречени „жили“ во услови со ниска и висока енергија. Тие ги испратија примероците во фирма наречена AppFive за прецесија на електронска дифракција, напредна техника на електронска кристалографија, за да се заклучат механизмите на раст под различни услови.

Веќе неколку години, научниците знаеја дека волфрамот реагира на плазмата со формирање кристални ластари на скала од милијардити дел од метарот, или нанометри - каков било мал тревник. Тековната студија откри дека ластарите произведени со бомбардирање со пониска енергија растат побавно, пофини и помазни - формирајќи погуст тепих од нејасни влакна - од оние што се создаваат со напад со повисока енергија.

Кај металите, атомите заземаат уреден структурен распоред со дефинирани простори меѓу нив. Ако некој атом е поместен, останува празно место или „празно место“. Ако зрачењето, како топка од билијард, отфрли атом од неговата локација и остави празно место, тој атом мора да замине некаде. Се набива меѓу другите атоми во кристалот, станувајќи интерстицијал.

Нормалната работа на реакторот за фузија го изложува пренасочувачот на висок флукс на атоми на хелиум со многу ниска енергија. „Јон на хелиум не удира доволно силно за да го направи судирот на топката од билијардот, па затоа мора да се прикраде во решетката за да почне да формира меурчиња или други дефекти“, објасни Периш.

Теоретичарите како Брајан Вирт, гувернерски стол на UT-ORNL, го моделираа системот и веруваат дека материјалот што се поместува од решетката кога се формираат меурчиња станува градбениот блок на ластарите. Атомите на хелиум талкаат по решетката случајно, рече Париш. Тие се судрат со други хелиуми и ги здружуваат силите. На крајот, кластерот е доволно голем за да исфрли атом на волфрам од неговата локација.

„Секогаш кога меурот расте, турка уште неколку атоми на волфрам од нивните места и тие мора да одат некаде. Тие ќе бидат привлечени кон површината“, рече Париш. „Тоа, веруваме, е механизмот со кој се формира овој нанофуз“.

Компјутерски научници спроведуваат симулации на суперкомпјутери за да ги проучуваат материјалите на нивното атомско ниво, или големината на нанометарот и временските скали на наносекунда. Инженерите истражуваат како материјалите се кршат, пукаат и на друг начин се однесуваат по долга изложеност на плазма, во скали од сантиметарска должина и час. „Но, имаше малку наука помеѓу“, рече Периш, чиј експеримент ја пополни оваа празнина во знаењето за да ги проучи првите знаци на деградација на материјалот и раните фази на растот на нанотедрилите.

Значи, дали fuzz е добар или лош? „Fuzz веројатно ќе има и штетни и корисни својства, но додека не дознаеме повеќе за тоа, не можеме да изработиме материјали за да се обидеме да го елиминираме лошото додека го нагласуваме доброто“, рече Париш. Позитивната страна е тоа што нејасниот волфрам може да преземе топлински оптоварувања што би го пукнале најголемиот дел од волфрам, а ерозијата е 10 пати помала кај нејасниот од најголемиот дел од волфрам. На минусната страна, нанотедрилите може да се откинат, формирајќи прашина што може да ја олади плазмата. Следната цел на научниците е да научат како материјалот еволуира и колку е лесно да се скршат нанотемпите од површината.

Партнерите на ORNL објавија неодамнешни експерименти со електронска микроскопија со скенирање кои го осветлуваат однесувањето на волфрам. Една студија покажа дека растот на ластарите не продолжил во која било претпочитана ориентација. Друго истражување откри дека одговорот на волфрам свртен кон плазма на флуксот на атом на хелиум еволуирал само од нанофаз (при низок флукс) до нанофуз плус меурчиња (при висок флукс).

Насловот на тековниот труд е „Морфологии на волфрамски нанотиници одгледувани под изложеност на хелиум“.