Reaktor termojądrowy to zasadniczo butelka magnetyczna, w której zachodzą te same procesy, które zachodzą na Słońcu. Paliwa deuterowe i trytowe łączą się, tworząc parę jonów helu, neutronów i ciepła. Podczas spalania tego gorącego, zjonizowanego gazu – zwanego plazmą – ciepło jest przekazywane do wody, która wytwarza parę napędzającą turbiny wytwarzające energię elektryczną. Przegrzana plazma stwarza stałe zagrożenie dla ścian reaktora i dywertora (który usuwa odpady z pracującego reaktora, aby utrzymać temperaturę plazmy wystarczającą do spalenia).

„Próbujemy określić podstawowe zachowanie materiałów skierowanych ku plazmie, aby lepiej zrozumieć mechanizmy degradacji, abyśmy mogli opracować solidne, nowe materiały” – powiedział naukowiec zajmujący się materiałami Chad Parish z Narodowego Laboratorium Oak Ridge Departamentu Energii. Jest starszym autorem badania opublikowanego w czasopiśmieRaporty naukowew ramach którego badano degradację wolframu w warunkach właściwych dla reaktora.

Ponieważ wolfram ma najwyższą temperaturę topnienia ze wszystkich metali, jest kandydatem na materiały napawane plazmą. Jednak ze względu na swoją kruchość komercyjna elektrownia byłaby raczej wykonana ze stopu lub kompozytu wolframu. Niezależnie od tego, wiedza o tym, jak energetyczne bombardowanie atomowe wpływa na wolfram pod mikroskopem, pomaga inżynierom udoskonalać materiały jądrowe.

„Wewnątrz elektrowni termojądrowej panuje najbardziej brutalne środowisko, jakie inżynierowie kiedykolwiek poprosili o zaprojektowanie materiałów” – powiedział Parish. „To gorsze niż wnętrze silnika odrzutowego”.

Naukowcy badają interakcję plazmy i elementów maszyn, aby stworzyć materiały, które doskonale radzą sobie z tak trudnymi warunkami pracy. Niezawodność materiałów jest kluczowym zagadnieniem w obecnych i nowych technologiach nuklearnych, mającym istotny wpływ na koszty budowy i eksploatacji elektrowni. Dlatego niezwykle istotne jest konstruowanie materiałów pod kątem odporności na długie cykle życia.

W ramach bieżących badań naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego bombardowali wolfram plazmą helową przy niskiej energii, naśladując reaktor termojądrowy w normalnych warunkach. W międzyczasie badacze z ORNL wykorzystali ośrodek badawczy Multicharged Ion Research Facility do zaatakowania wolframu wysokoenergetycznymi jonami helu, emulującymi rzadkie warunki, takie jak rozerwanie plazmy, które może zdeponować nienormalnie dużą ilość energii.

Korzystając z transmisyjnej mikroskopii elektronowej, skaningowej mikroskopii elektronowej, skaningowej mikroskopii elektronowej i nanokrystalografii elektronowej, naukowcy scharakteryzowali ewolucję pęcherzyków w krysztale wolframu oraz kształt i wzrost struktur zwanych „wąsami” w warunkach nisko- i wysokoenergetycznych. Wysłali próbki do firmy AppFive w celu przeprowadzenia dyfrakcji elektronów precesyjnych, zaawansowanej techniki krystalografii elektronowej, w celu wywnioskowania mechanizmów wzrostu w różnych warunkach.

Od kilku lat naukowcy wiedzą, że wolfram reaguje na plazmę, tworząc krystaliczne wąsy w skali miliardowych części metra, czyli nanometrów – coś w rodzaju maleńkiego trawnika. Obecne badanie wykazało, że wąsy powstałe w wyniku bombardowania o niższej energii rosły wolniej, były delikatniejsze i gładsze – tworząc gęstszy dywan puchu – niż te powstałe w wyniku ataku o wyższej energii.

W metalach atomy przyjmują uporządkowany układ strukturalny z określonymi odstępami między nimi. Jeśli atom zostanie przesunięty, pozostaje puste miejsce, czyli „pustka”. Jeśli promieniowanie, niczym kula bilardowa, wytrąca atom z jego miejsca i pozostawia puste miejsce, atom ten musi gdzieś się udać. Wpycha się pomiędzy inne atomy w krysztale, stając się materiałem śródmiąższowym.

Normalna praca reaktora termojądrowego naraża dywertor na duży strumień atomów helu o bardzo niskiej energii. „Jon helu nie uderza wystarczająco mocno, aby spowodować zderzenie kuli bilardowej, więc musi przedostać się do siatki, aby zacząć tworzyć pęcherzyki lub inne defekty” – wyjaśnił Parish.

Teoretycy tacy jak Brian Wirth, przewodniczący gubernatora UT-ORNL, stworzyli model systemu i uważają, że materiał wypierany z sieci podczas tworzenia się pęcherzyków staje się budulcem wąsów. Parish powiedział, że atomy helu wędrują po sieci losowo. Wpadają na inne hele i łączą siły. Ostatecznie gromada jest wystarczająco duża, aby wyrzucić atom wolframu ze swojego miejsca.

„Za każdym razem, gdy bańka rośnie, wypycha ze swoich miejsc kilka kolejnych atomów wolframu i muszą one gdzieś się udać. Powierzchnia będzie ich przyciągać” – powiedział Parish. „Uważamy, że taki jest mechanizm powstawania tego nanofuzu”.

Naukowcy zajmujący się obliczeniami przeprowadzają symulacje na superkomputerach, aby badać materiały na poziomie atomowym lub w skali nanometrowej i w skali nanosekundowej. Inżynierowie badają, jak materiały stają się kruche, pękają i w inny sposób zachowują się po długiej ekspozycji na plazmę, w skali centymetrowej i godzinnej. „Ale pomiędzy nimi było niewiele nauki” – powiedział Parish, którego eksperyment wypełnił tę lukę w wiedzy, aby zbadać pierwsze oznaki degradacji materiału i wczesne etapy wzrostu nanowąsów.

Czy fuzz jest dobry czy zły? „Fuzz prawdopodobnie będzie miał zarówno szkodliwe, jak i korzystne właściwości, ale dopóki nie dowiemy się o nim więcej, nie możemy zaprojektować materiałów tak, aby eliminować to, co złe, podkreślając jednocześnie to, co dobre” – powiedział Parish. Zaletą jest to, że wolfram rozmyty może przyjmować obciążenia cieplne, które mogłyby spowodować pękanie wolframu w masie, a erozja jest 10 razy mniejsza w przypadku wolframu rozmytego niż w przypadku wolframu w masie. Wadą jest to, że nanowąsy mogą pękać, tworząc pył, który może ochłodzić plazmę. Kolejnym celem naukowców jest poznanie ewolucji materiału i łatwości oderwania nanowąsków od powierzchni.

Partnerzy ORNL opublikowali najnowsze eksperymenty ze skaningowej mikroskopii elektronowej, które wyjaśniają zachowanie wolframu. Jedno z badań wykazało, że wzrost wąsów nie przebiegał w żadnej preferowanej orientacji. Inne badanie ujawniło, że reakcja wolframu skierowanego w stronę plazmy na strumień atomów helu ewoluowała od samego nanofuzz ​​(przy niskim strumieniu) do nanofuzz ​​plus pęcherzyki (przy dużym strumieniu).

Tytuł aktualnego artykułu brzmi: „Morfologie nanowąsków wolframu hodowanych pod wpływem helu”.