Fuzijski reaktor je v bistvu magnetna steklenica, ki vsebuje enake procese kot na soncu. Gorivi iz devterija in tritija se zlijeta v paro helijevih ionov, nevtronov in toplote. Ko ta vroč, ioniziran plin, imenovan plazma, gori, se ta toplota prenese na vodo, da se ustvari para za vrtenje turbin, ki proizvajajo elektriko. Pregreta plazma predstavlja stalno nevarnost za steno reaktorja in divertor (ki odstranjuje odpadke iz delujočega reaktorja, da plazma ostane dovolj vroča, da lahko gori).

"Poskušamo določiti temeljno obnašanje materialov, obrnjenih proti plazmi, s ciljem boljšega razumevanja mehanizmov razgradnje, da bi lahko izdelali robustne, nove materiale," je povedal znanstvenik za materiale Chad Parish iz nacionalnega laboratorija Oak Ridge Ministrstva za energijo. Je višji avtor študije v revijiZnanstvena poročilaki je raziskoval razgradnjo volframa v pogojih, pomembnih za reaktor.

Ker ima volfram najvišje tališče od vseh kovin, je kandidat za materiale, obrnjene proti plazmi. Zaradi svoje krhkosti pa bi bila komercialna elektrarna bolj verjetno izdelana iz volframove zlitine ali kompozita. Ne glede na to učenje o tem, kako energično atomsko bombardiranje vpliva na volfram mikroskopsko, pomaga inženirjem izboljšati jedrske materiale.

"Znotraj fuzijske elektrarne je najbolj brutalno okoljsko inženirstvo, za katerega so bili kadar koli naprošeni, da oblikuje materiale," je dejal Parish. "Slabše je kot notranjost reaktivnega motorja."

Raziskovalci preučujejo medsebojno delovanje plazme in strojnih komponent, da bi izdelali materiale, ki so več kot primerni za tako težke pogoje delovanja. Zanesljivost materialov je ključno vprašanje sedanjih in novih jedrskih tehnologij, ki pomembno vpliva na stroške gradnje in obratovanja elektrarn. Zato je ključnega pomena, da materiale oblikujemo tako, da bodo vzdržljivi v dolgih življenjskih ciklih.

Za trenutno študijo so raziskovalci na kalifornijski univerzi v San Diegu bombardirali volfram s helijevo plazmo pri nizki energiji, ki posnema fuzijski reaktor v normalnih pogojih. Medtem so raziskovalci na ORNL uporabili Multicharged Ion Research Facility za napad na volfram z visokoenergijskimi helijevimi ioni, ki posnemajo redke pogoje, kot je motnja v plazmi, ki bi lahko odložila nenormalno veliko količino energije.

S transmisijsko elektronsko mikroskopijo, vrstično transmisijsko elektronsko mikroskopijo, vrstično elektronsko mikroskopijo in elektronsko nanokristalografijo so znanstveniki opisali razvoj mehurčkov v volframovem kristalu ter obliko in rast struktur, imenovanih "vitice", v pogojih nizke in visoke energije. Vzorce so poslali podjetju AppFive za precesijsko elektronsko difrakcijo, napredno tehniko elektronske kristalografije, da bi ugotovili mehanizme rasti pod različnimi pogoji.

Znanstveniki že nekaj let vedo, da se volfram odziva na plazmo tako, da oblikuje kristalne vitice na lestvici milijardenk metra ali nanometra – nekakšne majhne trate. Sedanja študija je odkrila, da so vitice, ki nastanejo z bombardiranjem z nižjo energijo, počasneje rastoče, finejše in bolj gladke – tvorijo gostejšo preprogo dlak – kot tiste, ki nastanejo z napadom z višjo energijo.

V kovinah imajo atomi urejeno strukturno razporeditev z določenimi prostori med njimi. Če je atom premaknjen, ostane prazno mesto ali "prosto mesto". Če sevanje, kot biljardna krogla, zbije atom z njegovega mesta in pusti prazno mesto, mora ta atom nekam iti. Stisne se med druge atome v kristalu in postane intersticij.

Običajno delovanje fuzijskega reaktorja izpostavi divertor visokemu toku zelo nizkoenergijskih atomov helija. "Helijev ion ne udari dovolj močno, da bi povzročil trčenje biljardne krogle, zato se mora prikrasti v mrežo, da začne tvoriti mehurčke ali druge napake," je pojasnil Parish.

Teoretiki, kot je Brian Wirth, predsednik guvernerja UT-ORNL, so modelirali sistem in verjamejo, da material, ki se premakne iz rešetke, ko nastanejo mehurčki, postane gradnik vitic. Atomi helija se naključno sprehajajo po mreži, je dejal Parish. Zaletijo se v druge helije in združijo moči. Sčasoma je grozd dovolj velik, da z njegovega mesta zbije atom volframa.

»Vsakič, ko mehurček raste, potisne še nekaj atomov volframa s svojih mest in nekam morajo iti. Površje jih bo pritegnilo,« je dejal Parish. "Verjamemo, da je to mehanizem, s katerim nastane ta nanofuzz."

Računalniški znanstveniki izvajajo simulacije na superračunalnikih za preučevanje materialov na njihovi atomski ravni ali nanometrske velikosti in nanosekundnih časovnih lestvic. Inženirji raziskujejo, kako materiali postanejo krhki, razpokajo in se drugače obnašajo po dolgi izpostavljenosti plazmi, na centimetrski dolžini in urnem času. "Toda vmes je bilo malo znanosti," je dejal Parish, čigar eksperiment je zapolnil to vrzel v znanju, da bi preučil prve znake razgradnje materiala in zgodnje faze rasti nanovitice.

Torej je fuzz dober ali slab? "Fuzz ima verjetno tako škodljive kot tudi koristne lastnosti, a dokler ne vemo več o tem, ne moremo izdelati materialov, ki bi poskušali odstraniti slabo, hkrati pa poudarjati dobro," je dejal Parish. Pozitivna stran je, da bi mehki volfram lahko prevzel toplotne obremenitve, ki bi razbile volfram v razsutem stanju, erozija pa je pri mehkem volframu 10-krat manjša kot v razsutem volframu. Na negativni strani se lahko nanovitice odlomijo in tvorijo prah, ki lahko ohladi plazmo. Naslednji cilj znanstvenikov je izvedeti, kako se material razvija in kako enostavno je odlomiti nanovitice stran od površine.

Partnerji ORNL so objavili nedavne eksperimente z vrstično elektronsko mikroskopijo, ki osvetljujejo obnašanje volframa. Ena študija je pokazala, da rast vitice ni potekala v nobeni želeni smeri. Druga preiskava je pokazala, da se je odziv volframa, obrnjenega proti plazmi, na tok helijevega atoma razvil od samo nanofuza (pri nizkem toku) do nanofuza in mehurčkov (pri visokem toku).

Naslov trenutnega prispevka je "Morfologije volframovih nanovitic, gojenih pod izpostavljenostjo heliju."