En fusjonsreaktor er i hovedsak en magnetisk flaske som inneholder de samme prosessene som skjer i solen. Deuterium og tritium brensel smelter sammen for å danne en damp av heliumioner, nøytroner og varme. Når denne varme, ioniserte gassen - kalt plasma - brenner, overføres denne varmen til vann for å lage damp for å snu turbiner som genererer elektrisitet. Det overopphetede plasmaet utgjør en konstant trussel mot reaktorveggen og avlederen (som fjerner avfall fra driftsreaktoren for å holde plasmaet varmt nok til å brenne).

"Vi prøver å bestemme den grunnleggende oppførselen til plasma-vendte materialer med målet om å bedre forstå nedbrytningsmekanismer slik at vi kan konstruere robuste, nye materialer," sa materialforsker Chad Parish ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Han er seniorforfatter av en studie i tidsskriftetVitenskapelige rapportersom utforsket nedbrytning av wolfram under reaktorrelevante forhold.

Fordi wolfram har det høyeste smeltepunktet av alle metaller, er det en kandidat for plasma-vendte materialer. På grunn av sin sprøhet, vil imidlertid et kommersielt kraftverk mer sannsynlig være laget av en wolframlegering eller kompositt. Uansett, å lære om hvordan energisk atombombardement påvirker wolfram mikroskopisk hjelper ingeniører med å forbedre kjernefysiske materialer.

"Inne i et fusjonskraftverk er det mest brutale miljøet ingeniører noen gang har blitt bedt om å designe materialer for," sa Parish. "Det er verre enn interiøret i en jetmotor."

Forskere studerer samspillet mellom plasma og maskinkomponenter for å lage materialer som er mer enn en match for slike tøffe driftsforhold. Materialpålitelighet er et nøkkelproblem med nåværende og nye kjernefysiske teknologier som har en betydelig innvirkning på konstruksjons- og driftskostnadene til kraftverk. Så det er avgjørende å konstruere materialer for hardførhet over lange livssykluser.

For den nåværende studien bombarderte forskere ved University of California, San Diego, wolfram med heliumplasma ved lavenergi, som etterlignet en fusjonsreaktor under normale forhold. I mellomtiden brukte forskere ved ORNL Multicharged Ion Research Facility for å angripe wolfram med høyenergi-heliumioner som emulerer sjeldne forhold, for eksempel en plasmaforstyrrelse som kan avsette en unormalt stor mengde energi.

Ved å bruke transmisjonselektronmikroskopi, skanningtransmisjonselektronmikroskopi, skanningselektronmikroskopi og elektronnanokrystallografi karakteriserte forskerne utviklingen av bobler i wolframkrystallen og formen og veksten av strukturer kalt "ranker" under lav- og høyenergiforhold. De sendte prøvene til et firma kalt AppFive for presesjonselektrondiffraksjon, en avansert elektronkrystallografiteknikk, for å utlede vekstmekanismer under forskjellige forhold.

I noen år har forskere visst at wolfram reagerer på plasma ved å danne krystallinske ranker i størrelsesorden milliarddeler av en meter, eller nanometer – en slags bitteliten plen. Den nåværende studien oppdaget at ranker produsert ved bombardement med lavere energi vokste langsommere, finere og jevnere – og dannet et tettere teppe av fuzz – enn de som ble skapt ved angrep med høyere energi.

I metaller antar atomer et ordnet strukturelt arrangement med definerte rom mellom dem. Hvis et atom fortrenges, gjenstår et tomt sted, eller "ledig plass". Hvis stråling, som en biljardball, slår et atom bort fra stedet og etterlater en ledig stilling, må det atomet gå et sted. Den stapper seg mellom andre atomer i krystallen, og blir en mellomliggende.

Normal drift av fusjonsreaktorer utsetter avlederen for en høy fluks av heliumatomer med svært lav energi. "Et heliumion treffer ikke hardt nok til å gjøre biljardkulekollisjonen, så det må snike seg inn i gitteret for å begynne å danne bobler eller andre defekter," forklarte Parish.

Teoretikere som Brian Wirth, en UT-ORNL-guvernørstol, har modellert systemet og tror at materialet som blir fortrengt fra gitteret når det dannes bobler, blir byggesteinene til ranker. Heliumatomer vandrer rundt gitteret tilfeldig, sa Parish. De støter på andre heliumer og slår seg sammen. Til slutt er klyngen stor nok til å slå et wolframatom av stedet.

"Hver gang boblen vokser skyver den et par flere wolframatomer bort fra sidene deres, og de må gå et sted. De kommer til å bli tiltrukket av overflaten, sa Parish. "Det, tror vi, er mekanismen som denne nanofuzzen dannes med."

Beregningsforskere kjører simuleringer på superdatamaskiner for å studere materialer på deres atomnivå, eller nanometerstørrelse og nanosekunders tidsskalaer. Ingeniører utforsker hvordan materialer blir sprø, sprekker og på annen måte oppfører seg etter lang eksponering for plasma, på centimeterlengde og timeskalaer. "Men det var lite vitenskap i mellom," sa Parish, hvis eksperiment fylte dette kunnskapsgapet for å studere de første tegnene på materialnedbrytning og de tidlige stadiene av nanotendrilvekst.

Så er fuzz bra eller dårlig? "Fuzz har sannsynligvis både skadelige og fordelaktige egenskaper, men før vi vet mer om det, kan vi ikke konstruere materialer for å prøve å eliminere det dårlige samtidig som det fremhever det gode," sa Parish. På plussiden kan fuzzy wolfram ta varmebelastninger som ville knekke bulk wolfram, og erosjon er 10 ganger mindre i fuzzy enn bulk wolfram. På minussiden kan nanotendriller bryte av og danne et støv som kan avkjøle plasma. Forskernes neste mål er å lære hvordan materialet utvikler seg og hvor lett det er å bryte nanotendrillene vekk fra overflaten.

ORNL-partnerne publiserte nylige skanningselektronmikroskopieksperimenter som belyser wolframadferd. En studie viste at slyngeveksten ikke foregikk i noen foretrukket orientering. En annen undersøkelse avslørte at responsen fra plasma-vendt wolfram til heliumatomfluks utviklet seg fra bare nanofuzz ​​(ved lav fluks) til nanofuzz ​​pluss bobler (ved høy fluks).

Tittelen på den nåværende artikkelen er "Morfologier av wolfram nanotendriller dyrket under heliumeksponering."