Reactor ya muunganisho kimsingi ni chupa ya sumaku iliyo na michakato sawa inayotokea kwenye jua. Mafuta ya Deuterium na tritium huungana kuunda mvuke wa ioni za heliamu, neutroni na joto. Gesi hii ya moto, yenye ioni—inayoitwa plasma—inapoungua, joto hilo huhamishiwa kwenye maji ili kutengeneza mvuke wa kugeuza turbine zinazozalisha umeme. Plasma yenye joto kali huleta tishio la mara kwa mara kwa ukuta wa reactor na divertor (ambayo huondoa taka kutoka kwa reactor ya uendeshaji ili kuweka plasma moto wa kutosha kuwaka).

"Tunajaribu kubainisha tabia ya kimsingi ya nyenzo zinazoangazia plasma kwa lengo la kuelewa vyema taratibu za uharibifu ili tuweze kutengeneza nyenzo imara, mpya," alisema mwanasayansi wa vifaa Parokia ya Chad wa Maabara ya Kitaifa ya Idara ya Nishati ya Oak Ridge. Yeye ndiye mwandishi mkuu wa utafiti katika jaridaRipoti za kisayansiambayo iligundua uharibifu wa tungsten chini ya hali zinazohusiana na reactor.

Kwa sababu tungsten ina kiwango cha juu zaidi cha kuyeyuka kati ya metali zote, ni mgombea wa nyenzo zinazoangalia plasma. Kwa sababu ya wepesi wake, hata hivyo, mtambo wa kuzalisha umeme wa kibiashara una uwezekano mkubwa wa kutengenezwa kwa aloi ya tungsten au mchanganyiko. Bila kujali, kujifunza kuhusu jinsi mabomu ya atomiki yenye nguvu yanaathiri tungsten kwa hadubini husaidia wahandisi kuboresha nyenzo za nyuklia.

"Ndani ya mtambo wa kuunganisha nguvu kuna wahandisi wa mazingira katili zaidi ambao wamewahi kuulizwa kuunda vifaa," Parokia alisema. "Ni mbaya zaidi kuliko mambo ya ndani ya injini ya ndege."

Watafiti wanasoma mwingiliano wa plasma na vifaa vya mashine ili kutengeneza nyenzo ambazo hazilingani na hali ngumu kama hizo za kufanya kazi. Kuegemea kwa nyenzo ni suala muhimu kwa teknolojia ya sasa na mpya ya nyuklia ambayo ina athari kubwa kwa gharama za ujenzi na uendeshaji wa mitambo ya nguvu. Kwa hivyo ni muhimu kwa vifaa vya uhandisi kwa ugumu wa maisha marefu.

Kwa utafiti wa sasa, watafiti katika Chuo Kikuu cha California, San Diego, walilipua tungsten na plazima ya heliamu kwa nishati ya chini wakiiga kinu cha muunganisho katika hali ya kawaida. Wakati huo huo, watafiti katika ORNL walitumia Kituo cha Utafiti cha Ioni Nyingi kushambulia tungsten kwa ioni za heliamu zenye nishati nyingi zinazoiga hali adimu, kama vile usumbufu wa plasma ambao unaweza kuweka kiasi kikubwa cha nishati isiyo ya kawaida.

Kwa kutumia hadubini ya elektroni ya upitishaji, hadubini ya upitishaji ya elektroni, skanning hadubini ya elektroni na nanocrystallography ya elektroni, wanasayansi walibaini mabadiliko ya viputo kwenye fuwele ya tungsten na umbo na ukuaji wa miundo inayoitwa "tendrili" chini ya hali ya chini na ya juu ya nishati. Walituma sampuli hizo kwa kampuni iitwayo AppFive kwa ajili ya diffraction ya elektroni ya awali, mbinu ya hali ya juu ya fuwele ya elektroni, ili kudhibiti taratibu za ukuaji chini ya hali tofauti.

Kwa miaka michache wanasayansi wamejua kwamba tungsten huitikia plazima kwa kutengeneza mikunjo ya fuwele kwa kipimo cha mabilioni ya mita, au nanometers—lawn ndogo ya aina yake. Utafiti wa sasa uligundua kuwa michirizi iliyotengenezwa na mlipuko wa nishati ya chini ilikuwa ikikua polepole, laini na laini - ikitengeneza zulia mnene la fuzz - kuliko yale yaliyoundwa na uvamizi wa nishati ya juu.

Katika metali, atomi huchukua mpangilio mzuri wa muundo na nafasi zilizoainishwa kati yao. Ikiwa atomi itahamishwa, tovuti tupu, au "nafasi" inabaki. Ikiwa mionzi, kama mpira wa mabilidi, itaondoa atomi kutoka kwa tovuti yake na kuacha nafasi, atomi hiyo lazima iende mahali fulani. Inajisukuma yenyewe kati ya atomi zingine kwenye fuwele, na kuwa unganishi.

Operesheni ya kawaida ya kiyeyeyusha-muunganisho huweka kigeuzi kwenye mtiririko wa juu wa atomi za heliamu zenye nishati kidogo sana. "Ioni ya heliamu haipigi kwa nguvu vya kutosha kufanya mgongano wa mpira wa mabilidi, kwa hivyo inabidi iingie kwenye kimiani ili kuanza kutengeneza mapovu au kasoro nyingine," Parokia alieleza.

Wananadharia kama vile Brian Wirth, Mwenyekiti wa Gavana wa UT-ORNL, wameiga mfumo huo na wanaamini nyenzo ambazo huondolewa kwenye kimiani wakati mapovu yanapotokea huwa ndio msingi wa michirizi. Atomi za Heliamu huzunguka kwenye kimiani bila mpangilio, Parokia alisema. Wanaingia kwenye heliamu zingine na kuunganisha nguvu. Hatimaye nguzo hiyo ni kubwa vya kutosha kuangusha atomi ya tungsten kutoka kwenye tovuti yake.

"Kila wakati Bubble inakua inasukuma atomi kadhaa za tungsten kutoka kwa tovuti zao, na lazima ziende mahali fulani. Watavutiwa juu juu,” Parokia alisema. "Hiyo, tunaamini, ndio njia ambayo nanofuzz ​​huunda."

Wanasayansi wa hesabu huendesha maiga kwenye kompyuta kuu ili kusoma nyenzo katika kiwango chao cha atomiki, au saizi ya nanomita na mizani ya muda ya nanosecond. Wahandisi huchunguza jinsi nyenzo hukauka, kupasuka, na kufanya vinginevyo baada ya kufichuliwa kwa muda mrefu na plasma, kwenye mizani ya urefu wa sentimita na saa. "Lakini kulikuwa na sayansi ndogo kati," alisema Parokia, ambaye majaribio yake yalijaza pengo hili la maarifa ili kusoma ishara za kwanza za uharibifu wa nyenzo na hatua za mwanzo za ukuaji wa nanotendril.

Kwa hivyo fuzz ni nzuri au mbaya? "Fuzz ina uwezekano wa kuwa na sifa mbaya na za manufaa, lakini hadi tujue zaidi kuihusu, hatuwezi kutengeneza nyenzo za kujaribu kuondoa ubaya huku tukisisitiza uzuri," Parokia alisema. Kwa upande mzuri, tungsten isiyo na sauti inaweza kuchukua mizigo ya joto ambayo inaweza kupasua tungsten nyingi, na mmomonyoko wa udongo ni mara 10 kwa fuzzy kuliko tungsten nyingi. Kwa upande wa minus, nanotendrils zinaweza kupasuka, na kutengeneza vumbi ambalo linaweza kupoza plasma. Lengo linalofuata la wanasayansi ni kujifunza jinsi nyenzo hubadilika na jinsi ilivyo rahisi kuvunja nanotendrils mbali na uso.

Washirika wa ORNL walichapisha majaribio ya hivi majuzi ya hadubini ya elektroni ambayo huangazia tabia ya tungsten. Utafiti mmoja ulionyesha ukuaji wa tendoril haukuendelea katika mwelekeo wowote uliopendekezwa. Uchunguzi mwingine ulibaini kuwa mwitikio wa tungsten inayoangalia plasma kwa flux ya atomi ya heliamu ilibadilika kutoka kwa nanofuzz ​​pekee (kwa mtiririko wa chini) hadi nanofuzz ​​pamoja na viputo (katika msukumo wa juu).

Kichwa cha karatasi ya sasa ni "Mofolojia za nanotendrils za tungsten zinazokuzwa chini ya mfiduo wa heliamu."