Një reaktor i shkrirjes është në thelb një shishe magnetike që përmban të njëjtat procese që ndodhin në diell. Lëndët djegëse të deuteriumit dhe tritiumit shkrihen për të formuar një avull të joneve të heliumit, neutroneve dhe nxehtësisë. Ndërsa ky gaz i nxehtë, jonizues - i quajtur plazma - digjet, ajo nxehtësi transferohet në ujë për të krijuar avull për të kthyer turbinat që prodhojnë energji elektrike. Plazma e mbinxehur përbën një kërcënim të vazhdueshëm për murin e reaktorit dhe divertorin (i cili largon mbeturinat nga reaktori operativ për ta mbajtur plazmën aq të nxehtë sa të digjet).

"Ne po përpiqemi të përcaktojmë sjelljen themelore të materialeve që përballen me plazmën me qëllimin për të kuptuar më mirë mekanizmat e degradimit, në mënyrë që të mund të krijojmë materiale të forta dhe të reja," tha shkencëtari i materialeve Chad Parish i Laboratorit Kombëtar të Departamentit të Energjisë në Oak Ridge. Ai është autor i lartë i një studimi në revistëRaporte Shkencoreqë eksploroi degradimin e tungstenit në kushte përkatëse për reaktorin.

Për shkak se tungsteni ka pikën më të lartë të shkrirjes nga të gjitha metalet, ai është një kandidat për materialet që përballen me plazmën. Megjithatë, për shkak të brishtësisë së tij, një termocentral komercial ka më shumë të ngjarë të bëhet nga një aliazh tungsteni ose përbërje. Pavarësisht, të mësuarit se si bombardimi energjetik atomik ndikon mikroskopikisht tungstenin i ndihmon inxhinierët të përmirësojnë materialet bërthamore.

"Brenda një termocentrali me shkrirje është mjedisi më brutal që u është kërkuar ndonjëherë inxhinierëve të projektojnë materiale," tha Parish. "Është më keq se pjesa e brendshme e një motori reaktiv."

Studiuesit po studiojnë ndërveprimin e plazmës dhe komponentëve të makinës për të bërë materiale që janë më shumë se një përputhje me kushte të tilla të vështira operimi. Besueshmëria e materialeve është një çështje kyçe me teknologjitë aktuale dhe të reja bërthamore që ka një ndikim të rëndësishëm në kostot e ndërtimit dhe operimit të termocentraleve. Pra, është thelbësore për të inxhinieruar materialet për qëndrueshmëri gjatë cikleve të gjata të jetës.

Për studimin aktual, studiuesit në Universitetin e Kalifornisë, San Diego, bombarduan tungstenin me plazmën e heliumit me energji të ulët, duke imituar një reaktor të shkrirjes në kushte normale. Ndërkohë, studiuesit në ORNL përdorën objektin e kërkimit të joneve me shumë ngarkesa për të sulmuar tungstenin me jonet e heliumit me energji të lartë që imitojnë kushte të rralla, të tilla si një ndërprerje e plazmës që mund të depozitojë një sasi anormalisht të madhe energjie.

Duke përdorur mikroskopin elektronik të transmisionit, mikroskopin elektronik të transmisionit skanues, mikroskopin elektronik skanues dhe nanokristalografinë elektronike, shkencëtarët karakterizuan evolucionin e flluskave në kristalin e tungstenit dhe formën dhe rritjen e strukturave të quajtura "thjerrëza" në kushte me energji të ulët dhe të lartë. Ata i dërguan mostrat në një firmë të quajtur AppFive për difraksionin e elektroneve me precesion, një teknikë e avancuar e kristalografisë së elektroneve, për të konstatuar mekanizmat e rritjes në kushte të ndryshme.

Prej disa vitesh shkencëtarët e kanë ditur se tungsteni i përgjigjet plazmës duke formuar gjilpëra kristalore në shkallën e miliardat e një metri, ose nanometra - një lloj lëndinë e vogël. Studimi aktual zbuloi se gjilpërat e prodhuara nga bombardimet me energji më të ulët rriteshin më ngadalë, më të imët dhe më të lëmuar - duke formuar një qilim më të dendur fuzz - sesa ato të krijuara nga sulmi me energji më të lartë.

Në metale, atomet marrin një rregullim të rregullt strukturor me hapësira të përcaktuara ndërmjet tyre. Nëse një atom zhvendoset, mbetet një vend i zbrazët ose "vend i lirë". Nëse rrezatimi, si një top i bilardos, rrëzon një atom nga vendi i tij dhe lë një vend të lirë, ai atom duhet të shkojë diku. Ajo grumbullohet midis atomeve të tjera në kristal, duke u bërë një intersticial.

Funksionimi normal i reaktorit të shkrirjes e ekspozon divertorin ndaj një fluksi të lartë të atomeve të heliumit me energji shumë të ulët. "Një jon heliumi nuk po godet mjaftueshëm fort për të bërë përplasjen e topit të bilardos, kështu që duhet të futet fshehurazi në rrjetë për të filluar të formojë flluska ose defekte të tjera," shpjegoi Parish.

Teoricienët si Brian Wirth, një kryetar i guvernatorit të UT-ORNL, kanë modeluar sistemin dhe besojnë se materiali që zhvendoset nga rrjeta kur formohen flluska bëhet blloqet ndërtuese të tendinave. Atomet e heliumit enden rreth rrjetës rastësisht, tha Parish. Ata përplasen me heliume të tjerë dhe bashkojnë forcat. Përfundimisht grupi është mjaft i madh për të rrëzuar një atom tungsteni nga vendi i tij.

“Sa herë që flluska rritet, ajo shtyn disa atome tungsteni nga vendet e tyre dhe ata duhet të shkojnë diku. Ata do të tërhiqen nga sipërfaqja,” tha Parish. "Ky, ne besojmë, është mekanizmi me të cilin formohet ky nanofuzz."

Shkencëtarët kompjuterikë kryejnë simulime në superkompjuterë për të studiuar materialet në nivelin e tyre atomik, ose madhësinë nanometër dhe shkallët kohore nanosekonda. Inxhinierët eksplorojnë se si materialet thyhen, plasariten dhe sillen ndryshe pas ekspozimit të gjatë ndaj plazmës, në shkallë centimetri dhe orë. "Por kishte pak shkencë në mes," tha Parish, eksperimenti i të cilit plotësoi këtë boshllëk njohurish për të studiuar shenjat e para të degradimit të materialit dhe fazat e hershme të rritjes së nanotendrilit.

Pra, a është fuzz i mirë apo i keq? "Fuzz ka të ngjarë të ketë veti të dëmshme dhe të dobishme, por derisa të dimë më shumë për të, ne nuk mund të krijojmë materiale që të përpiqemi të eliminojmë të këqijat duke theksuar të mirat," tha Parish. Nga ana pozitive, tungsteni i turbullt mund të marrë ngarkesa nxehtësie që do të thyente tungstenin në masë, dhe erozioni është 10 herë më pak në fuzzy sesa tungsteni pjesa më e madhe. Në anën minus, nanotendrilet mund të shkëputen, duke formuar një pluhur që mund të ftohet plazma. Qëllimi tjetër i shkencëtarëve është të mësojnë se si materiali evoluon dhe sa e lehtë është të shkëputen nanotundrilet nga sipërfaqja.

Partnerët e ORNL publikuan eksperimentet e fundit të mikroskopisë elektronike të skanimit që ndriçojnë sjelljen e tungstenit. Një studim tregoi se rritja e tendrilit nuk vazhdoi në ndonjë orientim të preferuar. Një tjetër hetim zbuloi se përgjigja e tungstenit me pamje nga plazma ndaj fluksit të atomit të heliumit evoluoi nga vetëm nanofuzz ​​(me fluks të ulët) në flluska nanofuzz ​​plus (me fluks të lartë).

Titulli i punimit aktual është "Morfologjitë e nanotendrileve të tungstenit të rritura nën ekspozimin e heliumit".