फ्यूजन अणुभट्टी ही मूलत: चुंबकीय बाटली असते ज्यामध्ये सूर्यप्रकाशात होणाऱ्या समान प्रक्रिया असतात. ड्युटेरियम आणि ट्रिटियम इंधन हेलियम आयन, न्यूट्रॉन आणि उष्णतेची वाफ तयार करण्यासाठी फ्यूज करतात. हा गरम, आयनीकृत वायू-ज्याला प्लाझ्मा म्हणतात-जळते, ती उष्णता पाण्यामध्ये हस्तांतरित करून वाफ बनवून वीज निर्माण करणाऱ्या टर्बाईन्स चालू करतात. सुपरहिटेड प्लाझ्मा अणुभट्टीची भिंत आणि डायव्हर्टरला (जे प्लाझ्मा जाळण्याइतपत गरम ठेवण्यासाठी ऑपरेटिंग रिॲक्टरमधील कचरा काढून टाकते) यांना सतत धोका निर्माण करते.

"आम्ही प्लाझ्मा-फेसिंग मटेरियलचे मूलभूत वर्तन निर्धारित करण्याचा प्रयत्न करत आहोत ज्यायोगे डिग्रेडेशन मेकॅनिझम अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्याच्या उद्देशाने आम्ही मजबूत, नवीन सामग्री इंजिनियर करू शकू," ऊर्जा विभागाच्या ओक रिज नॅशनल लॅबोरेटरीचे साहित्य शास्त्रज्ञ चाड पॅरिश म्हणाले. जर्नलमधील एका अभ्यासाचे ते वरिष्ठ लेखक आहेतवैज्ञानिक अहवालज्याने अणुभट्टी-संबंधित परिस्थितीत टंगस्टनच्या ऱ्हासाचा शोध घेतला.

टंगस्टनमध्ये सर्व धातूंचा सर्वाधिक वितळण्याचा बिंदू असल्यामुळे, ते प्लाझ्मा-फेसिंग सामग्रीसाठी उमेदवार आहे. तथापि, त्याच्या ठिसूळपणामुळे, व्यावसायिक उर्जा प्रकल्प टंगस्टन मिश्र धातु किंवा संमिश्र बनलेला असतो. याची पर्वा न करता, ऊर्जावान अणुबॉम्बस्फोटाचा टंगस्टनवर सूक्ष्मदृष्ट्या कसा परिणाम होतो हे जाणून घेतल्याने अभियंत्यांना आण्विक सामग्री सुधारण्यास मदत होते.

"फ्यूजन पॉवर प्लांटच्या आत हे सर्वात क्रूर वातावरण आहे ज्यासाठी अभियंत्यांना साहित्य डिझाइन करण्यास सांगितले गेले आहे," पॅरिश म्हणाले. "हे जेट इंजिनच्या आतील भागापेक्षा वाईट आहे."

संशोधक प्लाझ्मा आणि मशीन घटकांच्या परस्परसंवादाचा अभ्यास करत आहेत जे अशा कठोर ऑपरेटिंग परिस्थितींसाठी जुळण्यापेक्षा जास्त सामग्री बनवतात. सामग्रीची विश्वासार्हता ही वर्तमान आणि नवीन आण्विक तंत्रज्ञानातील एक महत्त्वाची समस्या आहे ज्याचा पॉवर प्लांटच्या बांधकाम आणि परिचालन खर्चावर महत्त्वपूर्ण प्रभाव पडतो. त्यामुळे दीर्घ जीवनचक्रांपेक्षा कठोरपणासाठी साहित्य अभियंता करणे महत्त्वाचे आहे.

सध्याच्या अभ्यासासाठी, कॅलिफोर्निया विद्यापीठ, सॅन दिएगो येथील संशोधकांनी सामान्य परिस्थितीत फ्यूजन अणुभट्टीची नक्कल करून कमी ऊर्जेवर हेलियम प्लाझ्मासह टंगस्टनचा भडिमार केला. दरम्यान, ORNL मधील संशोधकांनी मल्टीचार्ज्ड आयन रिसर्च फॅसिलिटीचा वापर उच्च-ऊर्जा असलेल्या हेलियम आयनसह टंगस्टनवर हल्ला करण्यासाठी केला, ज्यात प्लाझ्मा व्यत्यय यांसारख्या दुर्मिळ परिस्थितीचे अनुकरण केले जाते ज्यामुळे असामान्यपणे मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा जमा होऊ शकते.

ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी, स्कॅनिंग ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी, स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी आणि इलेक्ट्रॉन नॅनोक्रिस्टॅलोग्राफीचा वापर करून, शास्त्रज्ञांनी टंगस्टन क्रिस्टलमधील बुडबुड्यांची उत्क्रांती आणि कमी-आणि उच्च-ऊर्जेच्या परिस्थितीत "टेंड्रिल्स" नावाच्या संरचनेची वाढ दर्शविली. त्यांनी वेगवेगळ्या परिस्थितीत वाढीच्या यंत्रणेचा अंदाज लावण्यासाठी प्रिसेशन इलेक्ट्रॉन डिफ्रॅक्शन, प्रगत इलेक्ट्रॉन क्रिस्टलोग्राफी तंत्रासाठी ॲपफाइव्ह नावाच्या फर्मकडे नमुने पाठवले.

काही वर्षांपासून शास्त्रज्ञांना हे माहित आहे की टंगस्टन एक मीटरच्या अब्जांश किंवा नॅनोमीटरच्या प्रमाणात स्फटिकासारखे स्फटिक तयार करून प्लाझ्माला प्रतिसाद देतो - एक लहान लॉन. सध्याच्या अभ्यासात असे आढळून आले आहे की कमी-ऊर्जेच्या बॉम्बर्डमेंटने तयार केलेले टेंड्रिल जास्त-ऊर्जा हल्ल्याद्वारे तयार केलेल्या पेक्षा कमी-उर्जेने वाढणारे, बारीक आणि गुळगुळीत-फझचे घनदाट कार्पेट बनवतात.

धातूंमध्ये, अणू त्यांच्या दरम्यान परिभाषित रिक्त स्थानांसह एक व्यवस्थित संरचनात्मक व्यवस्था गृहीत धरतात. अणू विस्थापित झाल्यास, रिक्त जागा किंवा "रिक्त जागा" राहते. जर किरणोत्सर्ग, बिलियर्ड बॉलप्रमाणे, अणूला त्याच्या साइटवरून ठोठावतो आणि रिक्त जागा सोडतो, तर त्या अणूला कुठेतरी जावे लागेल. ते स्फटिकातील इतर अणूंमध्ये क्रॅम करते, अंतरालीय बनते.

सामान्य फ्यूजन-अणुभट्टी ऑपरेशन डायव्हर्टरला अत्यंत-कमी-ऊर्जा हेलियम अणूंच्या उच्च प्रवाहात आणते. "बिलिअर्ड बॉलची टक्कर करण्यासाठी हेलियम आयन पुरेसे जोरात आदळत नाही, म्हणून बुडबुडे किंवा इतर दोष तयार करण्यासाठी जाळीमध्ये डोकावून जावे लागते," पॅरिशने स्पष्ट केले.

UT-ORNL गव्हर्नर चेअर असलेल्या ब्रायन विर्थ सारख्या सिद्धांतकारांनी या प्रणालीचे मॉडेल तयार केले आहे आणि फुगे जेव्हा टेंड्रिल्सचे बिल्डिंग ब्लॉक बनतात तेव्हा जाळीतून विस्थापित होणारी सामग्री यावर विश्वास ठेवतात. हेलियमचे अणू यादृच्छिकपणे जाळीभोवती फिरतात, पॅरिश म्हणाले. ते इतर हेलियम्सशी टक्कर घेतात आणि सैन्यात सामील होतात. अखेरीस क्लस्टर इतका मोठा आहे की टंगस्टन अणू त्याच्या साइटवरून ठोठावू शकतो.

“प्रत्येक वेळी जेव्हा बबल वाढतो तेव्हा तो त्यांच्या साइटवरून आणखी दोन टंगस्टन अणूंना ढकलतो आणि त्यांना कुठेतरी जावे लागते. ते पृष्ठभागाकडे आकर्षित होतील,” पॅरिश म्हणाला. "आमचा विश्वास आहे की, ही नॅनोफझ तयार करणारी यंत्रणा आहे."

संगणकीय शास्त्रज्ञ सुपरकॉम्प्युटरवर त्यांच्या अणु स्तरावर किंवा नॅनोमीटर आकार आणि नॅनोसेकंद टाइम स्केलचा अभ्यास करण्यासाठी सिम्युलेशन चालवतात. इंजीनिअर्स सेंटीमीटर लांबी आणि तासाच्या वेळेच्या स्केलवर प्लाझ्माच्या दीर्घ संपर्कानंतर सामग्री कशी भ्रूण होते, क्रॅक करतात आणि अन्यथा कसे वागतात हे शोधतात. “परंतु त्यादरम्यान थोडेसे विज्ञान होते,” पॅरिश म्हणाले, ज्यांच्या प्रयोगाने भौतिक ऱ्हासाची पहिली चिन्हे आणि नॅनोटेन्ड्रिलच्या वाढीच्या सुरुवातीच्या टप्प्यांचा अभ्यास करण्यासाठी ज्ञानातील अंतर भरून काढले.

तर फझ चांगले की वाईट? "फझमध्ये हानिकारक आणि फायदेशीर गुणधर्म असण्याची शक्यता आहे, परंतु जोपर्यंत आम्हाला त्याबद्दल अधिक माहिती नाही तोपर्यंत, आम्ही चांगल्या गोष्टींवर जोर देताना वाईट दूर करण्याचा प्रयत्न करण्यासाठी सामग्री इंजिनियर करू शकत नाही," पॅरिश म्हणाले. अधिक बाजूने, फजी टंगस्टनला उष्णतेचा भार लागू शकतो ज्यामुळे बल्क टंगस्टन क्रॅक होईल आणि बल्क टंगस्टनच्या तुलनेत फजीमध्ये इरोशन 10 पट कमी असते. वजा बाजूला, नॅनोटेंड्रिल्स फुटू शकतात, ज्यामुळे धूळ तयार होते जी प्लाझ्मा थंड करू शकते. शास्त्रज्ञांचे पुढील ध्येय आहे की सामग्री कशी उत्क्रांत होते आणि पृष्ठभागापासून दूर नॅनोटेन्ड्रिल्स तोडणे किती सोपे आहे हे जाणून घेणे.

ORNL भागीदारांनी अलीकडील स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी प्रयोग प्रकाशित केले जे टंगस्टन वर्तन प्रकाशित करतात. एका अभ्यासात असे दिसून आले आहे की टेंड्रिलची वाढ कोणत्याही पसंतीच्या अभिमुखतेमध्ये पुढे जात नाही. दुसऱ्या तपासणीत असे दिसून आले की हेलियम अणू फ्लक्सला प्लाझ्मा-फेसिंग टंगस्टनचा प्रतिसाद नॅनोफुझ (कमी फ्लक्सवर) पासून नॅनोफझ प्लस बबल्स (उच्च प्रवाहावर) विकसित झाला.

सध्याच्या पेपरचे शीर्षक आहे "हेलियम एक्सपोजर अंतर्गत उगवलेल्या टंगस्टन नॅनोटेन्ड्रिलचे मॉर्फोलॉजीज."