En fusionsreaktor är i huvudsak en magnetisk flaska som innehåller samma processer som sker i solen. Deuterium- och tritiumbränslen smälter samman och bildar en ånga av heliumjoner, neutroner och värme. När denna heta, joniserade gas - kallad plasma - brinner, överförs den värmen till vatten för att göra ånga för att vända turbiner som genererar elektricitet. Den överhettade plasman utgör ett konstant hot mot reaktorväggen och avledaren (som tar bort avfall från den arbetande reaktorn för att hålla plasman tillräckligt varm för att brinna).

"Vi försöker bestämma det grundläggande beteendet hos plasmavända material med målet att bättre förstå nedbrytningsmekanismer så att vi kan konstruera robusta, nya material", säger materialforskaren Chad Parish vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Han är seniorförfattare till en studie i tidskriftenVetenskapliga rapportersom undersökte nedbrytning av volfram under reaktorrelevanta förhållanden.

Eftersom volfram har den högsta smältpunkten av alla metaller, är det en kandidat för plasma-vända material. På grund av dess sprödhet skulle dock ett kommersiellt kraftverk mer sannolikt vara tillverkat av en volframlegering eller komposit. Oavsett vilket, att lära sig om hur energiskt atombombardement påverkar volfram mikroskopiskt hjälper ingenjörer att förbättra kärnmaterial.

"Inuti ett fusionskraftverk finns den mest brutala miljö ingenjörer någonsin blivit ombedda att designa material för," sa Parish. "Det är värre än interiören i en jetmotor."

Forskare studerar samspelet mellan plasma och maskinkomponenter för att göra material som är mer än en matchning för sådana svåra driftsförhållanden. Materialtillförlitlighet är en nyckelfråga med nuvarande och ny kärnteknik som har en betydande inverkan på konstruktions- och driftskostnader för kraftverk. Så det är viktigt att konstruera material för att de ska vara hårda under långa livscykler.

För den aktuella studien bombarderade forskare vid University of California, San Diego, volfram med heliumplasma vid låg energi, vilket efterliknade en fusionsreaktor under normala förhållanden. Samtidigt använde forskare vid ORNL Multicharged Ion Research Facility för att attackera volfram med högenergi-heliumjoner som efterliknade sällsynta förhållanden, såsom en plasmastörning som kan avsätta en onormalt stor mängd energi.

Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, sveptransmissionselektronmikroskopi, svepelektronmikroskopi och elektronnanokristallografi karakteriserade forskarna utvecklingen av bubblor i volframkristallen och formen och tillväxten av strukturer som kallas "rankor" under låg- och högenergiförhållanden. De skickade proverna till ett företag som heter AppFive för precessionselektrondiffraktion, en avancerad elektronkristallografiteknik, för att härleda tillväxtmekanismer under olika förhållanden.

Under några år har forskare vetat att volfram reagerar på plasma genom att bilda kristallina rankor på en skala av miljarddels meter, eller nanometer – en liten gräsmatta. Den aktuella studien upptäckte att rankor som produceras av lågenergibombardement var långsammare, finare och jämnare – och bildar en tätare matta av ludd – än de som skapades av angrepp med högre energi.

I metaller antar atomer ett ordnat strukturellt arrangemang med definierade utrymmen mellan dem. Om en atom förskjuts kvarstår en tom plats, eller "ledig plats". Om strålning, som en biljardboll, slår bort en atom från sin plats och lämnar en tom plats, måste den atomen gå någonstans. Den tränger ihop sig mellan andra atomer i kristallen och blir en interstitial.

Normal drift av fusionsreaktorn utsätter divertorn för ett högt flöde av heliumatomer med mycket låg energi. "En heliumjon slår inte tillräckligt hårt för att göra biljardbollskollisionen, så den måste smyga in i gallret för att börja bilda bubblor eller andra defekter," förklarade Parish.

Teoretiker som Brian Wirth, en UT-ORNL-guvernörsstol, har modellerat systemet och tror att materialet som förskjuts från gallret när det bildas bubblor blir byggstenarna i rankor. Heliumatomer vandrar runt gallret slumpmässigt, sa Parish. De stöter på andra helium och slår sig samman. Så småningom är klustret tillräckligt stort för att slå en volframatom från sin plats.

"Varje gång bubblan växer trycker den bort ett par volframatomer till från deras platser, och de måste gå någonstans. De kommer att attraheras till ytan, säger Parish. "Det, tror vi, är mekanismen genom vilken denna nanofuzz ​​bildas."

Beräkningsforskare kör simuleringar på superdatorer för att studera material på deras atomnivå, eller nanometerstorlek och nanosekunders tidsskalor. Ingenjörer utforskar hur material blir spröda, spricker och på annat sätt beter sig efter lång exponering för plasma, på centimeterlängds- och timtidsskalor. "Men det fanns lite vetenskap däremellan," sade Parish, vars experiment fyllde denna kunskapslucka för att studera de första tecknen på materialnedbrytning och de tidiga stadierna av nanotendriltillväxt.

Så är fuzz bra eller dåligt? "Fuzz kommer sannolikt att ha både skadliga och fördelaktiga egenskaper, men tills vi vet mer om det kan vi inte konstruera material för att försöka eliminera det dåliga samtidigt som det accentuerar det goda," sa Parish. På plussidan kan fuzzy volfram ta emot värmebelastningar som skulle knäcka volfram i bulk, och erosion är 10 gånger mindre i fuzzy än bulk volfram. På minussidan kan nanotendrils bryta av och bilda ett damm som kan kyla plasma. Forskarnas nästa mål är att lära sig hur materialet utvecklas och hur lätt det är att bryta bort nanotendrillerna från ytan.

ORNL-partnerna publicerade nyligen experiment med svepelektronmikroskopi som belyser volframbeteende. En studie visade att klängtillväxt inte fortsatte i någon föredragen orientering. En annan undersökning avslöjade att svaret från plasma-vänd volfram till heliumatomflöde utvecklades från endast nanofuzz ​​(vid lågt flöde) till nanofuzz ​​plus bubblor (vid högt flöde).

Titeln på den aktuella artikeln är "Morfologier av volfram nanotendrils odlade under heliumexponering."