Fúzny reaktor je v podstate magnetická fľaša obsahujúca rovnaké procesy, ktoré sa vyskytujú na slnku. Deutérium a tríciové palivá sa spájajú a vytvárajú pary héliových iónov, neutrónov a tepla. Keď tento horúci ionizovaný plyn, nazývaný plazma, horí, toto teplo sa prenáša do vody, aby vytvorila paru na otáčanie turbín, ktoré vyrábajú elektrinu. Prehriata plazma predstavuje stálu hrozbu pre stenu reaktora a divertor (ktorý odstraňuje odpad z prevádzkovaného reaktora, aby sa plazma udržala dostatočne horúca na spálenie).

"Snažíme sa určiť základné správanie plazmových materiálov s cieľom lepšie pochopiť degradačné mechanizmy, aby sme mohli skonštruovať robustné, nové materiály," povedal materiálový vedec Chad Parish z Národného laboratória Oak Ridge ministerstva energetiky. Je hlavným autorom štúdie v časopiseVedecké správyktorý skúmal degradáciu volfrámu v podmienkach relevantných pre reaktor.

Pretože volfrám má najvyššiu teplotu topenia zo všetkých kovov, je kandidátom na materiály na plazmu. Pre svoju krehkosť by však komerčná elektráreň bola pravdepodobnejšie vyrobená zo zliatiny volfrámu alebo kompozitu. Bez ohľadu na to, učenie sa o tom, ako energetické atómové bombardovanie mikroskopicky ovplyvňuje volfrám, pomáha inžinierom zlepšovať jadrové materiály.

"Vnútri fúznej elektrárne sa nachádza najbrutálnejšie prostredie, aké kedy bolo od inžinierov požiadané, aby navrhli materiály," povedal Parish. "Je to horšie ako interiér prúdového motora."

Výskumníci študujú interakciu plazmy a komponentov stroja, aby vytvorili materiály, ktoré sú viac než vhodné pre takéto drsné prevádzkové podmienky. Materiálová spoľahlivosť je kľúčovou otázkou súčasných a nových jadrových technológií, ktorá má významný vplyv na výstavbu a prevádzkové náklady elektrární. Preto je dôležité navrhnúť materiály pre odolnosť počas dlhých životných cyklov.

Pre súčasnú štúdiu výskumníci z Kalifornskej univerzity v San Diegu bombardovali volfrám héliovou plazmou pri nízkej energii napodobňujúcom fúzny reaktor za normálnych podmienok. Medzitým výskumníci z ORNL použili Multicharged Ion Research Facility na napadnutie volfrámu vysokoenergetickými héliovými iónmi, ktoré napodobňujú zriedkavé podmienky, ako je narušenie plazmy, ktoré môže uložiť abnormálne veľké množstvo energie.

Pomocou transmisnej elektrónovej mikroskopie, skenovacej transmisnej elektrónovej mikroskopie, skenovacej elektrónovej mikroskopie a elektrónovej nanokryštalografie vedci charakterizovali vývoj bublín v kryštáli volfrámu a tvar a rast štruktúr nazývaných „úponky“ v podmienkach nízkej a vysokej energie. Vzorky poslali firme s názvom AppFive na precesnú elektrónovú difrakciu, pokročilú techniku ​​elektrónovej kryštalografie, aby sa odvodili mechanizmy rastu za rôznych podmienok.

Vedci už niekoľko rokov vedia, že volfrám reaguje na plazmu vytváraním kryštalických úponkov v rozsahu miliardtín metra alebo nanometrov – svojho druhu maličký trávnik. Súčasná štúdia zistila, že úponky produkované bombardovaním s nižšou energiou rástli pomalšie, jemnejšie a hladšie – vytvárali hustejší koberec chlpov – ako tie, ktoré vznikli pri útoku s vyššou energiou.

V kovoch atómy predpokladajú usporiadané štruktúrne usporiadanie s definovanými priestormi medzi nimi. Ak dôjde k premiestneniu atómu, zostane prázdne miesto alebo „prázdne miesto“. Ak žiarenie, podobne ako biliardová guľa, zrazí atóm zo svojho miesta a zanechá prázdne miesto, tento atóm musí niekam ísť. Vtesná sa medzi ostatné atómy v kryštáli a stáva sa intersticiálnou.

Normálna prevádzka fúzneho reaktora vystavuje divertor vysokému toku atómov hélia s veľmi nízkou energiou. "Héliový ión nenaráža dostatočne tvrdo na to, aby spôsobil kolíziu biliardovej gule, takže sa musí vkradnúť do mriežky, aby začal vytvárať bubliny alebo iné defekty," vysvetlil Parish.

Teoretici ako Brian Wirth, predseda guvernéra UT-ORNL, modelovali systém a veria, že materiál, ktorý sa vytlačí z mriežky, keď sa tvoria bubliny, sa stáva stavebnými kameňmi úponkov. Atómy hélia putujú po mriežke náhodne, povedal Parish. Narážajú na iné héliá a spájajú sily. Nakoniec je zhluk dostatočne veľký na to, aby zrazil atóm volfrámu zo svojho miesta.

„Zakaždým, keď bublina narastie, vytlačí z ich miest niekoľko ďalších atómov volfrámu a musia niekam ísť. Bude ich priťahovať povrch,“ povedal Parish. "Veríme, že toto je mechanizmus, ktorým sa tvorí tento nanofuzz."

Výpočtoví vedci spúšťajú simulácie na superpočítačoch, aby študovali materiály na ich atómovej úrovni alebo veľkosti nanometrov a nanosekundových časových mier. Inžinieri skúmajú, ako materiály krehnú, praskajú a inak sa správajú po dlhom vystavení plazme v centimetrovej dĺžke a hodinovej časovej škále. "Ale medzi tým bolo málo vedy, " povedal Parish, ktorého experiment vyplnil túto medzeru vo vedomostiach, aby študoval prvé známky degradácie materiálu a skoré štádiá rastu nanotendrilu.

Je teda fuzz dobrý alebo zlý? "Fuzz bude mať pravdepodobne škodlivé aj prospešné vlastnosti, ale kým o ňom nebudeme vedieť viac, nemôžeme navrhnúť materiály, ktoré by sa pokúsili odstrániť zlé a zároveň zdôrazniť dobré," povedal Parish. Pozitívom je, že neostrý volfrám môže znášať tepelné zaťaženie, ktoré by popraskalo objemný volfrám, a erózia je 10-krát menšia v rozmazanom ako objemovom volfráme. Na strane mínus sa nanotendrily môžu odlomiť a vytvoriť prach, ktorý môže ochladzovať plazmu. Ďalším cieľom vedcov je zistiť, ako sa materiál vyvíja a aké ľahké je odtrhnúť nanotendrily od povrchu.

Partneri ORNL publikovali nedávne experimenty skenovacej elektrónovej mikroskopie, ktoré osvetľujú správanie volfrámu. Jedna štúdia ukázala, že rast úponkov neprebiehal v žiadnej preferovanej orientácii. Ďalšie skúmanie odhalilo, že odozva volfrámu smerujúceho k plazme na tok atómov hélia sa vyvinula z iba nanofuzzu (pri nízkom toku) na nanofuzz ​​plus bubliny (pri vysokom toku).

Názov aktuálneho článku je „Morfológie volfrámových nanotendrilov pestovaných pri vystavení héliu“.