Un reactor de fuziune este în esență o sticlă magnetică care conține aceleași procese care au loc la soare. Combustibilii cu deuteriu și tritiu fuzionează pentru a forma vapori de ioni de heliu, neutroni și căldură. Pe măsură ce acest gaz fierbinte, ionizat, numit plasmă, arde, acea căldură este transferată în apă pentru a face abur pentru a transforma turbinele care generează electricitate. Plasma supraîncălzită reprezintă o amenințare constantă pentru peretele reactorului și pentru deviator (care elimină deșeurile din reactorul de funcționare pentru a menține plasma suficient de fierbinte pentru a arde).

„Încercăm să determinăm comportamentul fundamental al materialelor care se confruntă cu plasmă, cu scopul de a înțelege mai bine mecanismele de degradare, astfel încât să putem proiecta materiale noi și robuste”, a spus cercetătorul în materiale Chad Parish de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie. Este autorul principal al unui studiu în jurnalRapoarte științificecare a explorat degradarea wolframului în condiții relevante pentru reactor.

Deoarece wolfram are cel mai înalt punct de topire dintre toate metalele, este un candidat pentru materialele cu plasmă. Cu toate acestea, datorită fragilității sale, o centrală electrică comercială ar fi mai probabil făcută dintr-un aliaj de wolfram sau compozit. Indiferent, învățarea despre modul în care bombardamentul atomic energetic afectează microscopic tungstenul îi ajută pe ingineri să îmbunătățească materialele nucleare.

„În interiorul unei centrale electrice de fuziune se află cel mai brutal mediu pentru care inginerii au fost vreodată rugați să proiecteze materiale”, a spus Parish. „Este mai rău decât interiorul unui motor cu reacție.”

Cercetătorii studiază interacțiunea dintre plasmă și componentele mașinii pentru a face materiale care se potrivesc mai mult cu condițiile de operare atât de dure. Fiabilitatea materialelor este o problemă cheie cu tehnologiile nucleare actuale și noi, care are un impact semnificativ asupra costurilor de construcție și operare ale centralelor electrice. Prin urmare, este esențial să proiectăm materiale pentru rezistență pe cicluri lungi de viață.

Pentru studiul actual, cercetătorii de la Universitatea din California, San Diego, au bombardat tungsten cu plasmă de heliu la energie scăzută, mimând un reactor de fuziune în condiții normale. Între timp, cercetătorii de la ORNL au folosit Multicharged Ion Research Facility pentru a ataca tungstenul cu ioni de heliu de înaltă energie, emulând condiții rare, cum ar fi o întrerupere a plasmei care ar putea depune o cantitate anormal de mare de energie.

Folosind microscopia electronică cu transmisie, microscopia electronică cu transmisie cu scanare, microscopia electronică cu scanare și nanocristalografia electronică, oamenii de știință au caracterizat evoluția bulelor în cristalul de wolfram și forma și creșterea structurilor numite „vârle” în condiții de energie scăzută și mare. Ei au trimis probe la o firmă numită AppFive pentru difracția electronilor de precesie, o tehnică avansată de cristalografie a electronilor, pentru a deduce mecanisme de creștere în diferite condiții.

De câțiva ani, oamenii de știință au știut că wolframul răspunde la plasmă formând vârle cristaline la scara de miliarde de metru sau nanometri - un fel de gazon minuscul. Studiul actual a descoperit că firele produse de un bombardament cu energie mai mică au crescut mai lentă, mai fine și mai netede - formând un covor mai dens de puf - decât cele create de atacul cu energie mai mare.

În metale, atomii presupun un aranjament structural ordonat, cu spații definite între ei. Dacă un atom este deplasat, rămâne un loc gol sau „vacant”. Dacă radiația, ca o minge de biliard, dobândește un atom de pe locul său și lasă un loc liber, acel atom trebuie să meargă undeva. Se înghesuie între alți atomi din cristal, devenind un interstițial.

Funcționarea normală a reactorului de fuziune expune deviatorul la un flux mare de atomi de heliu cu energie foarte scăzută. „Un ion de heliu nu lovește suficient de puternic pentru a produce ciocnirea mingii de biliard, așa că trebuie să se strecoare în zăbrele pentru a începe să formeze bule sau alte defecte”, a explicat Parish.

Teoreticieni precum Brian Wirth, un președinte al guvernatorului UT-ORNL, au modelat sistemul și cred că materialul care este deplasat din zăbrele atunci când se formează bule devine blocurile de construcție ale cârcilor. Atomii de heliu rătăcesc în jurul rețelei la întâmplare, a spus Parish. Se lovesc de alte heliuri și își unesc forțele. În cele din urmă, clusterul este suficient de mare pentru a doborî un atom de tungsten de pe locul său.

„De fiecare dată când bula crește, mai împinge câțiva atomi de tungsten din locurile lor și trebuie să meargă undeva. Vor fi atrași la suprafață”, a spus Parish. „Acesta, credem noi, este mecanismul prin care se formează acest nanofuzz.”

Oamenii de știință în calcul rulează simulări pe supercalculatoare pentru a studia materialele la nivelul lor atomic, sau dimensiunea nanometrică și scara de timp în nanosecunde. Inginerii explorează modul în care materialele se fragilizează, se fisurează și se comportă în alt mod după o expunere îndelungată la plasmă, pe o lungime de centimetri și oră. „Dar a existat puțină știință între ele”, a spus Parish, al cărui experiment a umplut acest gol de cunoștințe pentru a studia primele semne de degradare a materialului și etapele incipiente ale creșterii nanotendrilului.

Deci fuzz este bun sau rău? „Este probabil ca Fuzz să aibă proprietăți atât dăunătoare, cât și benefice, dar până nu știm mai multe despre el, nu putem proiecta materiale care să încerce să elimine relele, accentuând în același timp cele bune”, a spus Parish. În plus, tungstenul neclar ar putea suporta încărcături de căldură care ar sparge tungstenul în vrac, iar eroziunea este de 10 ori mai mică în tungstenul neclar decât în ​​vrac. Pe partea minus, nanotendrils se pot rupe, formând un praf care poate răci plasma. Următorul obiectiv al oamenilor de știință este să învețe cum evoluează materialul și cât de ușor este să rupi nanotendrils de la suprafață.

Partenerii ORNL au publicat experimente recente de microscopie electronică cu scanare care iluminează comportamentul tungstenului. Un studiu a arătat că creșterea viciului nu a avut loc în nicio orientare preferată. O altă investigație a arătat că răspunsul tungstenului orientat spre plasmă la fluxul de atom de heliu a evoluat de la doar nanofuzz ​​(la flux scăzut) la nanofuzz ​​plus bule (la flux mare).

Titlul lucrării actuale este „Morfologiile nanotendrilsului de tungsten cultivate sub expunere la heliu”.