Термоядерный реактор, по сути, представляет собой магнитную бутылку, в которой происходят те же процессы, которые происходят на Солнце. Дейтериевое и тритиевое топливо плавятся, образуя пары ионов гелия, нейтронов и тепла. Когда этот горячий ионизированный газ, называемый плазмой, сгорает, это тепло передается воде, которая производит пар для вращения турбин, генерирующих электричество. Перегретая плазма представляет постоянную угрозу для стенки реактора и дивертора (который удаляет отходы из работающего реактора, чтобы плазма оставалась достаточно горячей для горения).

«Мы пытаемся определить фундаментальное поведение материалов, контактирующих с плазмой, с целью лучшего понимания механизмов деградации, чтобы мы могли создавать надежные новые материалы», — сказал ученый-материаловед Чад Пэриш из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики. Он является старшим автором исследования в журнале.Научные отчетыкоторый исследовал деградацию вольфрама в условиях, связанных с реактором.

Поскольку вольфрам имеет самую высокую температуру плавления из всех металлов, он является кандидатом на использование в качестве материалов для обработки плазмой. Однако из-за его хрупкости коммерческая электростанция, скорее всего, будет изготовлена ​​из вольфрамового сплава или композита. Тем не менее, изучение того, как энергетическая атомная бомбардировка влияет на вольфрам под микроскопом, помогает инженерам улучшить ядерные материалы.

«Внутри термоядерной электростанции находится самая жестокая среда, для которой инженерам когда-либо приходилось разрабатывать материалы», — сказал Пэриш. «Это хуже, чем салон реактивного двигателя».

Исследователи изучают взаимодействие плазмы и компонентов машин, чтобы создавать материалы, которые более чем подходят для таких суровых условий эксплуатации. Надежность материалов является ключевым вопросом современных и новых ядерных технологий, который оказывает значительное влияние на затраты на строительство и эксплуатацию электростанций. Поэтому крайне важно разрабатывать материалы, устойчивые к длительному жизненному циклу.

Для текущего исследования исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего бомбардировали вольфрам гелиевой плазмой при низкой энергии, имитируя термоядерный реактор в нормальных условиях. Тем временем исследователи из ORNL использовали Исследовательский центр многозарядных ионов для воздействия на вольфрам высокоэнергетическими ионами гелия, имитируя редкие условия, такие как разрыв плазмы, который может выделить аномально большое количество энергии.

Используя просвечивающую электронную микроскопию, сканирующую электронную микроскопию, сканирующую электронную микроскопию и электронную нанокристаллографию, ученые охарактеризовали эволюцию пузырьков в кристалле вольфрама, а также форму и рост структур, называемых «усиками», в условиях низких и высоких энергий. Они отправили образцы в фирму AppFive для прецессионной дифракции электронов, передового метода электронной кристаллографии, чтобы сделать выводы о механизмах роста в различных условиях.

В течение нескольких лет ученым было известно, что вольфрам реагирует на плазму, образуя кристаллические усики размером в миллиардные доли метра или нанометра — своего рода крошечный газон. Нынешнее исследование показало, что усики, образовавшиеся в результате бомбардировки с более низкой энергией, росли медленнее, были тоньше и гладче, образуя более плотный ковер из пуха, чем те, которые образовались в результате атаки с более высокой энергией.

В металлах атомы принимают упорядоченное структурное расположение с определенными промежутками между ними. Если атом смещается, остается пустое место или «вакансия». Если излучение, подобно бильярдному шару, сбивает атом с места и оставляет вакансию, этот атом должен куда-то уйти. Он втискивается между другими атомами кристалла, становясь междоузлием.

При нормальной работе термоядерного реактора дивертор подвергается воздействию высокого потока атомов гелия очень низкой энергии. «Ион гелия не ударяется достаточно сильно, чтобы вызвать столкновение с бильярдным шаром, поэтому ему приходится проникать в решетку, чтобы начать образовывать пузыри или другие дефекты», — объяснил Пэриш.

Теоретики, такие как Брайан Вирт, председатель губернатора UT-ORNL, смоделировали систему и полагают, что материал, который вытесняется из решетки при формировании пузырей, становится строительными блоками усиков. По словам Пэриша, атомы гелия беспорядочно блуждают по решетке. Они сталкиваются с другими гелиями и объединяют усилия. В конце концов кластер становится достаточно большим, чтобы выбить атом вольфрама со своего места.

«Каждый раз, когда пузырь растет, он сталкивает со своих мест еще пару атомов вольфрама, и им приходится куда-то уходить. Их привлечет поверхность», — сказал Пэриш. «Мы считаем, что это и есть механизм формирования нанопуха».

Ученые-вычислители проводят моделирование на суперкомпьютерах для изучения материалов на атомном уровне или нанометровых размерах и в наносекундных временных масштабах. Инженеры исследуют, как материалы становятся хрупкими, трескаются и иным образом ведут себя после длительного воздействия плазмы, в сантиметровом и часовом масштабах. «Но между ними было мало науки», — сказал Пэриш, чей эксперимент заполнил этот пробел в знаниях по изучению первых признаков деградации материала и ранних стадий роста наноусилей.

Так фузз — это хорошо или плохо? «Пух, вероятно, обладает как вредными, так и полезными свойствами, но пока мы не узнаем о нем больше, мы не сможем разработать материалы, которые попытаются устранить плохое, подчеркнув при этом хорошее», — сказал Пэриш. С другой стороны, нечеткий вольфрам может выдерживать тепловые нагрузки, которые могут привести к растрескиванию объемного вольфрама, а эрозия у нечеткого вольфрама в 10 раз меньше, чем у объемного вольфрама. С другой стороны, наноусики могут оторваться, образуя пыль, способную охлаждать плазму. Следующая цель ученых — узнать, как развивается материал и насколько легко оторвать наноусики от поверхности.

Партнеры ORNL опубликовали недавние эксперименты по сканирующей электронной микроскопии, которые иллюстрируют поведение вольфрама. Одно исследование показало, что рост усиков не происходит в какой-либо предпочтительной ориентации. Другое исследование показало, что реакция вольфрама, обращенного к плазме, на поток атомов гелия эволюционировала от только нанофузза (при низком потоке) до нанофузза плюс пузырьков (при высоком потоке).

Название настоящей статьи: «Морфология вольфрамовых наноусиков, выращенных под воздействием гелия».