Reaktor gabungan pada asasnya ialah botol magnet yang mengandungi proses yang sama yang berlaku di matahari. Bahan api Deuterium dan tritium bercantum untuk membentuk wap ion helium, neutron dan haba. Apabila gas terion yang panas ini—dipanggil plasma—terbakar, haba itu dipindahkan ke air untuk membuat wap untuk memutarkan turbin yang menjana elektrik. Plasma yang dipanaskan lampau menimbulkan ancaman berterusan kepada dinding reaktor dan pengalih (yang mengeluarkan sisa daripada reaktor operasi untuk memastikan plasma cukup panas untuk terbakar).

"Kami cuba menentukan tingkah laku asas bahan yang menghadap plasma dengan matlamat untuk memahami mekanisme degradasi yang lebih baik supaya kami boleh merekayasa bahan baharu yang teguh," kata ahli sains bahan Chad Parish dari Makmal Kebangsaan Oak Ridge Jabatan Tenaga. Beliau adalah pengarang kanan kajian dalam jurnalLaporan Saintifikyang meneroka degradasi tungsten di bawah keadaan yang berkaitan dengan reaktor.

Oleh kerana tungsten mempunyai takat lebur tertinggi bagi semua logam, ia adalah calon untuk bahan yang menghadap plasma. Oleh kerana kerapuhannya, bagaimanapun, loji janakuasa komersial lebih berkemungkinan diperbuat daripada aloi tungsten atau komposit. Walau apa pun, mempelajari tentang cara pengeboman atom bertenaga mempengaruhi tungsten secara mikroskopik membantu jurutera menambah baik bahan nuklear.

"Di dalam loji kuasa gabungan adalah jurutera persekitaran paling kejam pernah diminta untuk mereka bentuk bahan," kata Parish. "Ia lebih teruk daripada bahagian dalam enjin jet."

Penyelidik sedang mengkaji interaksi plasma dan komponen mesin untuk membuat bahan yang lebih daripada padanan untuk keadaan operasi yang keras itu. Kebolehpercayaan bahan ialah isu utama dengan teknologi nuklear semasa dan baharu yang mempunyai kesan ketara ke atas pembinaan dan kos operasi loji kuasa. Oleh itu, adalah penting untuk merekayasa bahan untuk ketahanan sepanjang kitaran hayat yang panjang.

Untuk kajian semasa, penyelidik di University of California, San Diego, membombardir tungsten dengan plasma helium pada tenaga rendah meniru reaktor gabungan dalam keadaan biasa. Sementara itu, penyelidik di ORNL menggunakan Kemudahan Penyelidikan Ion Berbilang Caj untuk menyerang tungsten dengan ion helium bertenaga tinggi yang meniru keadaan yang jarang berlaku, seperti gangguan plasma yang mungkin menyimpan sejumlah besar tenaga yang luar biasa.

Menggunakan mikroskop elektron penghantaran, mengimbas mikroskop elektron penghantaran, mengimbas mikroskop elektron dan nanocrystallography elektron, saintis mencirikan evolusi gelembung dalam kristal tungsten dan bentuk serta pertumbuhan struktur yang dipanggil "tendrils" di bawah keadaan tenaga rendah dan tinggi. Mereka menghantar sampel kepada firma yang dipanggil AppFive untuk pembelauan elektron precession, teknik kristalografi elektron maju, untuk membuat kesimpulan mekanisme pertumbuhan dalam keadaan yang berbeza.

Selama beberapa tahun saintis mengetahui bahawa tungsten bertindak balas kepada plasma dengan membentuk sulur kristal pada skala per bilion meter, atau nanometer-sejenis rumput kecil. Kajian semasa mendapati bahawa sulur yang dihasilkan oleh pengeboman tenaga yang lebih rendah adalah tumbuh lebih perlahan, lebih halus dan licin—membentuk permaidani bulu yang lebih padat—berbanding sulur yang dihasilkan oleh serangan bertenaga lebih tinggi.

Dalam logam, atom mempunyai susunan struktur yang teratur dengan ruang yang ditentukan di antara mereka. Jika atom disesarkan, tapak kosong atau "kekosongan" kekal. Jika sinaran, seperti bola biliard, mengetuk atom dari tapaknya dan meninggalkan kekosongan, atom itu perlu pergi ke suatu tempat. Ia menjejalkan dirinya di antara atom lain dalam kristal, menjadi interstisial.

Operasi gabungan-reaktor biasa mendedahkan pengalih kepada fluks tinggi atom helium tenaga sangat rendah. "Ion helium tidak cukup kuat untuk melakukan perlanggaran bola biliard, jadi ia perlu menyelinap ke dalam kekisi untuk mula membentuk buih atau kecacatan lain," jelas Parish.

Ahli teori seperti Brian Wirth, Pengerusi Gabenor UT-ORNL, telah memodelkan sistem dan percaya bahan yang disesarkan daripada kekisi apabila gelembung terbentuk menjadi blok binaan sulur. Atom helium berkeliaran di sekitar kekisi secara rawak, kata Parish. Mereka terserempak dengan helium lain dan bergabung tenaga. Akhirnya gugusan itu cukup besar untuk mengetuk atom tungsten dari tapaknya.

"Setiap kali gelembung tumbuh, ia menolak beberapa atom tungsten keluar dari tapak mereka, dan mereka perlu pergi ke suatu tempat. Mereka akan tertarik ke permukaan,” kata Parish. "Itu, kami percaya, adalah mekanisme yang membentuk nanofuzz ​​ini."

Saintis pengiraan menjalankan simulasi pada superkomputer untuk mengkaji bahan pada tahap atomnya, atau saiz nanometer dan skala masa nanosaat. Jurutera meneroka cara bahan rapuh, retak, dan sebaliknya bertindak selepas pendedahan lama kepada plasma, pada skala masa panjang sentimeter dan jam. "Tetapi terdapat sedikit sains di antaranya," kata Parish, yang eksperimennya mengisi jurang pengetahuan ini untuk mengkaji tanda-tanda pertama kemerosotan bahan dan peringkat awal pertumbuhan nanotendril.

Jadi fuzz baik atau buruk? "Fuzz berkemungkinan mempunyai kedua-dua sifat yang memudaratkan dan berfaedah, tetapi sehingga kami mengetahui lebih lanjut mengenainya, kami tidak boleh merekayasa bahan untuk cuba menghapuskan yang buruk sambil menyerlahkan yang baik," kata Parish. Tambahan pula, tungsten kabur mungkin mengambil beban haba yang akan memecahkan tungsten pukal, dan hakisan adalah 10 kali lebih rendah dalam kabur daripada tungsten pukal. Di bahagian tolak, nanotendril boleh pecah, membentuk habuk yang boleh menyejukkan plasma. Matlamat saintis seterusnya adalah untuk mempelajari bagaimana bahan itu berkembang dan betapa mudahnya untuk memecahkan nanotendril dari permukaan.

Rakan kongsi ORNL menerbitkan eksperimen mikroskopi elektron pengimbasan baru-baru ini yang menerangi tingkah laku tungsten. Satu kajian menunjukkan pertumbuhan sulur tidak diteruskan dalam mana-mana orientasi pilihan. Satu lagi penyiasatan mendedahkan bahawa tindak balas tungsten yang menghadap plasma kepada fluks atom helium berkembang daripada nanofuzz ​​sahaja (pada fluks rendah) kepada nanofuzz ​​ditambah buih (pada fluks tinggi).

Tajuk kertas semasa ialah "Morfologi nanotendril tungsten yang ditanam di bawah pendedahan helium."