Een fusiereactor is in wezen een magnetische fles waarin dezelfde processen plaatsvinden als in de zon. Deuterium- en tritiumbrandstoffen smelten samen en vormen een damp van heliumionen, neutronen en warmte. Terwijl dit hete, geïoniseerde gas, plasma genaamd, brandt, wordt die warmte overgedragen aan water om stoom te maken om turbines aan te drijven die elektriciteit opwekken. Het oververhitte plasma vormt een constante bedreiging voor de reactorwand en de divertor (die afval uit de werkende reactor verwijdert om het plasma warm genoeg te houden om te verbranden).

"We proberen het fundamentele gedrag van plasmagerichte materialen te bepalen met als doel de afbraakmechanismen beter te begrijpen, zodat we robuuste, nieuwe materialen kunnen ontwikkelen", zegt materiaalwetenschapper Chad Parish van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. Hij is senior auteur van een onderzoek in het tijdschriftWetenschappelijke rapportenwaarin de afbraak van wolfraam onder reactorrelevante omstandigheden werd onderzocht.

Omdat wolfraam het hoogste smeltpunt van alle metalen heeft, is het een kandidaat voor plasmagerichte materialen. Vanwege zijn brosheid zou een commerciële energiecentrale echter waarschijnlijker zijn gemaakt van een wolfraamlegering of composiet. Hoe dan ook, het leren van hoe energetische atoombombardementen wolfraam microscopisch beïnvloeden, helpt ingenieurs bij het verbeteren van nucleaire materialen.

“In een fusie-energiecentrale bevindt zich de meest meedogenloze omgeving waar ingenieurs ooit materialen voor hebben moeten ontwerpen,” zei Parish. “Het is erger dan het interieur van een straalmotor.”

Onderzoekers bestuderen de interactie tussen plasma en machinecomponenten om materialen te maken die meer dan opgewassen zijn tegen zulke zware bedrijfsomstandigheden. De betrouwbaarheid van materialen is een sleutelprobleem bij de huidige en nieuwe nucleaire technologieën, die een aanzienlijke impact hebben op de bouw- en exploitatiekosten van energiecentrales. Het is dus van cruciaal belang om materialen te ontwikkelen die bestand zijn tegen duurzaamheid gedurende een lange levenscyclus.

Voor de huidige studie bombardeerden onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego, wolfraam met heliumplasma met lage energie, wat een fusiereactor onder normale omstandigheden nabootst. Ondertussen gebruikten onderzoekers van ORNL de Multicharged Ion Research Facility om wolfraam aan te vallen met hoogenergetische heliumionen die zeldzame omstandigheden nabootsen, zoals een plasmaverstoring die een abnormaal grote hoeveelheid energie zou kunnen afgeven.

Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, scanning-transmissie-elektronenmicroscopie, scanning-elektronenmicroscopie en elektronennanokristallografie karakteriseerden de wetenschappers de evolutie van bellen in het wolfraamkristal en de vorm en de groei van structuren die "ranken" worden genoemd onder omstandigheden met lage en hoge energie. Ze stuurden de monsters naar een bedrijf genaamd AppFive voor precessie-elektronendiffractie, een geavanceerde elektronenkristallografietechniek, om groeimechanismen onder verschillende omstandigheden af ​​te leiden.

Wetenschappers weten al een paar jaar dat wolfraam op plasma reageert door kristallijne ranken te vormen op de schaal van miljardsten van een meter, of nanometers – een soort klein gazon. De huidige studie ontdekte dat de ranken geproduceerd door bombardementen met lagere energie langzamer groeiden, fijner en gladder waren en een dichter tapijt van pluisjes vormden dan de ranken die ontstonden door aanvallen met hogere energie.

In metalen nemen atomen een ordelijke structurele rangschikking aan met gedefinieerde ruimtes ertussen. Als een atoom wordt verplaatst, blijft er een lege plek of ‘vacature’ over. Als straling, net als een biljartbal, een atoom van zijn plaats slaat en een vacature achterlaat, moet dat atoom ergens heen. Het propt zichzelf tussen andere atomen in het kristal en wordt een interstitiële.

Bij normaal gebruik van de fusiereactor wordt de divertor blootgesteld aan een hoge flux van heliumatomen met zeer lage energie. "Een heliumion slaat niet hard genoeg om de botsing met de biljartbal tot stand te brengen, dus moet het het rooster binnensluipen om bellen of andere defecten te vormen", legt Parish uit.

Theoretici als Brian Wirth, voorzitter van de UT-ORNL-gouverneur, hebben het systeem gemodelleerd en geloven dat het materiaal dat uit het rooster wordt verplaatst wanneer zich bellen vormen, de bouwstenen van ranken worden. Heliumatomen dwalen willekeurig door het rooster, zei Parish. Ze komen andere heliums tegen en bundelen hun krachten. Uiteindelijk is de cluster groot genoeg om een ​​wolfraamatoom van zijn plek te slaan.

‘Elke keer dat de bel groeit, worden er nog een paar wolfraamatomen van hun plek geduwd, en ze moeten ergens heen. Ze zullen zich aangetrokken voelen tot het oppervlak,' zei Parish. “Wij geloven dat dit het mechanisme is waardoor deze nanofuzz ​​ontstaat.”

Computationele wetenschappers voeren simulaties uit op supercomputers om materialen op atomair niveau, of nanometergrootte en nanoseconde-tijdschalen, te bestuderen. Ingenieurs onderzoeken hoe materialen bros worden, barsten en zich anderszins gedragen na langdurige blootstelling aan plasma, op centimeterlengte- en uurtijdschalen. "Maar er zat weinig wetenschap tussen", zei Parish, wiens experiment deze kenniskloof opvulde om de eerste tekenen van materiële degradatie en de vroege stadia van de groei van nanodril te bestuderen.

Dus is fuzz goed of slecht? "Fuzz heeft waarschijnlijk zowel schadelijke als gunstige eigenschappen, maar totdat we er meer over weten, kunnen we geen materialen ontwikkelen die proberen het slechte te elimineren en tegelijkertijd het goede te accentueren," zei Parish. Aan de positieve kant kan vaag wolfraam hittebelastingen verdragen die bulkwolfraam zouden kraken, en erosie is 10 keer minder bij vaag dan bulkwolfraam. Aan de andere kant kunnen nanodrils afbreken, waardoor een stof ontstaat dat plasma kan afkoelen. Het volgende doel van de wetenschappers is om te leren hoe het materiaal evolueert en hoe gemakkelijk het is om de nanodrils van het oppervlak los te breken.

De ORNL-partners publiceerden recente experimenten met scanning-elektronenmicroscopie die het gedrag van wolfraam belichten. Eén onderzoek toonde aan dat de groei van de ranken niet in een bepaalde voorkeursrichting verliep. Uit een ander onderzoek bleek dat de reactie van naar het plasma gerichte wolfraam op de flux van heliumatomen evolueerde van alleen nanofuzz ​​(bij lage flux) naar nanofuzz ​​plus bellen (bij hoge flux).

De titel van het huidige artikel is “Morfologieën van wolfraam-nanodrils gegroeid onder blootstelling aan helium.”