Фузиони реактор је у суштини магнетна боца која садржи исте процесе који се дешавају на сунцу. Деутеријум и трицијум горива се спајају и формирају пару јона хелијума, неутрона и топлоте. Како овај врући, јонизовани гас - који се зове плазма - сагорева, та топлота се преноси на воду да би направила пару да окрене турбине које производе електричну енергију. Прегрејана плазма представља сталну претњу зиду реактора и дивертору (који уклања отпад из радног реактора да би плазма била довољно топла да сагоре).

„Покушавамо да утврдимо основно понашање материјала окренутих плазми са циљем бољег разумевања механизама деградације како бисмо могли да конструишемо робусне, нове материјале“, рекао је научник за материјале Чад Периш из Националне лабораторије Оак Риџ одељења за енергетику. Он је старији аутор студије у часописуНаучни извештајикоји је истраживао деградацију волфрама у условима релевантним за реактор.

Пошто волфрам има највишу тачку топљења од свих метала, он је кандидат за материјале окренуте плазми. Међутим, због своје крхкости, комерцијална електрана би вероватније била направљена од легуре волфрама или композита. Без обзира на то, учење о томе како енергетско атомско бомбардовање микроскопски утиче на волфрам помаже инжењерима да побољшају нуклеарне материјале.

„Унутар фузионе електране налази се најбруталније инжењере за животну средину за које је икада затражено да дизајнирају материјале“, рекао је Парисх. "То је горе од унутрашњости млазног мотора."

Истраживачи проучавају интеракцију плазме и компоненти машина како би направили материјале који су више него одговарајући за тако тешке услове рада. Поузданост материјала је кључно питање тренутних и нових нуклеарних технологија које има значајан утицај на трошкове изградње и рада електрана. Стога је од кључне важности да се конструишу материјали за отпорност током дугих животних циклуса.

За тренутну студију, истраживачи са Универзитета у Калифорнији, Сан Дијего, бомбардовали су волфрам хелијум плазмом при ниској енергији, опонашајући фузиони реактор у нормалним условима. У међувремену, истраживачи на ОРНЛ-у су користили Мултицхаргед Ион Ресеарцх Фацилити да нападну волфрам са високоенергетским јонима хелијума који опонашају ретке услове, као што је поремећај плазме који може депоновати ненормално велику количину енергије.

Користећи трансмисиону електронску микроскопију, скенирајућу трансмисиону електронску микроскопију, скенирајућу електронску микроскопију и електронску нанокристалографију, научници су окарактерисали еволуцију мехурића у кристалу волфрама и облик и раст структура званих „витице“ у условима ниске и високе енергије. Послали су узорке фирми под називом АппФиве на прецесијску дифракцију електрона, напредну технику електронске кристалографије, како би закључили механизме раста под различитим условима.

Већ неколико година научници су знали да волфрам реагује на плазму формирањем кристалних витица на скали од милијардитог дела метра, или нанометара - својеврсни сићушни травњак. Тренутна студија је открила да су витице настале бомбардовањем ниже енергије спорије расту, финије и глађе - формирајући гушћи тепих од длака - од оних које су настале нападом веће енергије.

У металима, атоми преузимају уредан структурни распоред са дефинисаним размацима између њих. Ако се атом помери, остаје празно место или „празно место“. Ако зрачење, попут кугле за билијар, избаци атом са свог места и остави празно место, тај атом мора негде да оде. Збија се између других атома у кристалу, постајући међупростор.

Нормалан рад фузионог реактора излаже дивертор високом флуксу атома хелијума веома ниске енергије. „Јон хелијума не удара довољно снажно да би извршио судар билијарске лопте, тако да мора да се ушуња у решетку да би почео да формира мехуриће или друге дефекте“, објаснио је Париш.

Теоретичари попут Брајана Вирта, председника гувернера УТ-ОРНЛ-а, моделирали су систем и верују да материјал који се измешта из решетке када се формирају мехурићи постаје грађевни блокови витица. Атоми хелијума насумично лутају по решетки, рекао је Парисх. Они се сударају са другим хелијумима и удружују снаге. На крају је јато довољно велико да избаци атом волфрама са свог места.

„Сваки пут када мехур нарасте, он гурне још неколико атома волфрама са њихових места, и они морају негде да оду. Привући ће их на површину“, рекао је Парисх. "То је, верујемо, механизам којим се формира овај нанофузз."

Рачунарски научници покрећу симулације на суперкомпјутерима како би проучавали материјале на њиховом атомском нивоу, или нанометарску величину и временске скале наносекунде. Инжењери истражују како материјали постају крхки, пуцају и на други начин се понашају након дугог излагања плазми, на центиметарским и сатним временским скалама. „Али између тога је било мало науке“, рекао је Парисх, чији је експеримент попунио ову празнину у знању како би проучио прве знаке деградације материјала и ране фазе раста нанотендрила.

Дакле, да ли је фузз добар или лош? „Фузз ће вероватно имати и штетна и корисна својства, али док не сазнамо више о томе, не можемо да направимо материјале да покушамо да елиминишемо лоше док наглашавамо добро“, рекао је Парисх. Са позитивне стране, расплинути волфрам би могао да издржи топлотна оптерећења која би разбили волфрам у расутом стању, а ерозија је 10 пута мања код расутог волфрама од расутог волфрама. Са минус стране, нанотендриле се могу одломити, формирајући прашину која може да охлади плазму. Следећи циљ научника је да науче како материјал еволуира и колико је лако одвојити нанотендриле од површине.

ОРНЛ партнери су објавили недавне експерименте скенирајуће електронске микроскопије који осветљавају понашање волфрама. Једна студија је показала да се раст витица није одвијао у жељеној оријентацији. Друго истраживање је открило да је одговор волфрама окренутог плазмом на флукс атома хелијума еволуирао од само нанофузз (при малом флуксу) до нанофузз плус мехурића (при високом флуксу).

Наслов тренутног рада је „Морфологије волфрамових нанотендрила узгојених под излагањем хелијуму.