Um reator de fusão é essencialmente uma garrafa magnética contendo os mesmos processos que ocorrem no sol. Os combustíveis deutério e trítio se fundem para formar um vapor de íons hélio, nêutrons e calor. À medida que esse gás quente e ionizado – chamado plasma – queima, esse calor é transferido para a água para produzir vapor e girar turbinas que geram eletricidade. O plasma superaquecido representa uma ameaça constante à parede do reator e ao divertor (que remove os resíduos do reator operacional para manter o plasma quente o suficiente para queimar).

“Estamos tentando determinar o comportamento fundamental dos materiais voltados para o plasma com o objetivo de compreender melhor os mecanismos de degradação para que possamos projetar novos materiais robustos”, disse o cientista de materiais Chad Parish, do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia. Ele é autor sênior de um estudo na revistaRelatórios Científicosque explorou a degradação do tungstênio sob condições relevantes do reator.

Como o tungstênio tem o ponto de fusão mais alto de todos os metais, ele é um candidato para materiais voltados para plasma. Devido à sua fragilidade, no entanto, é mais provável que uma central eléctrica comercial seja feita de uma liga ou compósito de tungsténio. Independentemente disso, aprender sobre como o bombardeio atômico energético afeta microscopicamente o tungstênio ajuda os engenheiros a melhorar os materiais nucleares.

“Dentro de uma usina de fusão está o ambiente mais brutal para o qual os engenheiros já foram solicitados a projetar materiais”, disse Parish. “É pior que o interior de um motor a jato.”

Os pesquisadores estão estudando a interação do plasma e dos componentes da máquina para produzir materiais que sejam mais do que compatíveis com essas condições operacionais adversas. A fiabilidade dos materiais é uma questão fundamental das tecnologias nucleares atuais e novas, que tem um impacto significativo nos custos de construção e operação das centrais elétricas. Portanto, é fundamental projetar materiais para resistência durante longos ciclos de vida.

Para o estudo atual, pesquisadores da Universidade da Califórnia, em San Diego, bombardearam tungstênio com plasma de hélio em baixa energia, imitando um reator de fusão em condições normais. Enquanto isso, os pesquisadores do ORNL usaram o Multicharged Ion Research Facility para atacar o tungstênio com íons de hélio de alta energia, emulando condições raras, como uma ruptura de plasma que pode depositar uma quantidade anormalmente grande de energia.

Usando microscopia eletrônica de transmissão, microscopia eletrônica de transmissão de varredura, microscopia eletrônica de varredura e nanocristalografia eletrônica, os cientistas caracterizaram a evolução das bolhas no cristal de tungstênio e a forma e o crescimento de estruturas chamadas “gavinhas” sob condições de baixa e alta energia. Eles enviaram as amostras para uma empresa chamada AppFive para difração de precessão de elétrons, uma técnica avançada de cristalografia de elétrons, para inferir mecanismos de crescimento sob diferentes condições.

Há alguns anos, os cientistas sabem que o tungstênio responde ao plasma formando gavinhas cristalinas na escala de bilionésimos de metro, ou nanômetros – uma espécie de gramado minúsculo. O presente estudo descobriu que as gavinhas produzidas por bombardeamentos de energia mais baixa eram de crescimento mais lento, mais finas e mais suaves – formando um tapete mais denso de penugem – do que aquelas criadas por ataques de energia mais elevada.

Nos metais, os átomos assumem um arranjo estrutural ordenado com espaços definidos entre eles. Se um átomo for deslocado, um sítio vazio, ou “vaga”, permanece. Se a radiação, como uma bola de bilhar, arranca um átomo do seu lugar e deixa um espaço vazio, esse átomo tem de ir para algum lugar. Ele se amontoa entre outros átomos do cristal, tornando-se um intersticial.

A operação normal do reator de fusão expõe o divertor a um alto fluxo de átomos de hélio de energia muito baixa. “Um íon de hélio não bate com força suficiente para causar a colisão da bola de bilhar, então ele precisa entrar furtivamente na rede para começar a formar bolhas ou outros defeitos”, explicou Parish.

Teóricos como Brian Wirth, presidente do governador da UT-ORNL, modelaram o sistema e acreditam que o material que é deslocado da rede quando as bolhas se formam se torna os blocos de construção das gavinhas. Os átomos de hélio vagam aleatoriamente pela rede, disse Parish. Eles esbarram em outros hélios e unem forças. Eventualmente, o aglomerado é grande o suficiente para expulsar um átomo de tungstênio de seu local.

“Cada vez que a bolha cresce, ela empurra mais alguns átomos de tungstênio para fora de seus locais, e eles precisam ir para algum lugar. Eles serão atraídos para a superfície”, disse Parish. “Acreditamos que esse é o mecanismo pelo qual essa nanofuzz ​​se forma.”

Cientistas computacionais executam simulações em supercomputadores para estudar materiais em seu nível atômico, ou tamanho nanométrico e escalas de tempo de nanossegundos. Os engenheiros exploram como os materiais se fragilizam, racham e se comportam de outra forma após uma longa exposição ao plasma, em escalas de centímetros e horas. “Mas havia pouca ciência no meio”, disse Parish, cuja experiência preencheu esta lacuna de conhecimento para estudar os primeiros sinais de degradação do material e os estágios iniciais do crescimento dos nanotendril.

Então o fuzz é bom ou ruim? “É provável que a penugem tenha propriedades prejudiciais e benéficas, mas até sabermos mais sobre ela, não poderemos projetar materiais para tentar eliminar o que é ruim e ao mesmo tempo acentuar o que é bom”, disse Parish. No lado positivo, o tungstênio difuso pode suportar cargas de calor que quebrariam o tungstênio a granel, e a erosão é 10 vezes menor no tungstênio difuso do que no tungstênio a granel. No lado negativo, as nanogavinhas podem se quebrar, formando uma poeira que pode resfriar o plasma. O próximo objetivo dos cientistas é aprender como o material evolui e como é fácil separar as nanogavinhas da superfície.

Os parceiros do ORNL publicaram experimentos recentes de microscopia eletrônica de varredura que iluminam o comportamento do tungstênio. Um estudo mostrou que o crescimento das gavinhas não ocorreu em nenhuma orientação preferida. Outra investigação revelou que a resposta do tungstênio voltado para o plasma ao fluxo do átomo de hélio evoluiu de apenas nanofuzz ​​(em baixo fluxo) para nanofuzz ​​mais bolhas (em alto fluxo).

O título do artigo atual é “Morfologias de nanotendrils de tungstênio cultivadas sob exposição ao hélio”.