เครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันโดยพื้นฐานแล้วคือขวดแม่เหล็กที่มีกระบวนการเดียวกันกับที่เกิดขึ้นในดวงอาทิตย์ เชื้อเพลิงดิวทีเรียมและทริเทียมหลอมรวมกันเป็นไอของฮีเลียมไอออน นิวตรอน และความร้อน เมื่อก๊าซไอออไนซ์ร้อนนี้เรียกว่าพลาสมา เผาไหม้ ความร้อนนั้นจะถูกถ่ายโอนไปยังน้ำเพื่อผลิตไอน้ำเพื่อหมุนกังหันที่ผลิตกระแสไฟฟ้า พลาสมาที่ให้ความร้อนยวดยิ่งก่อให้เกิดภัยคุกคามอย่างต่อเนื่องต่อผนังเครื่องปฏิกรณ์และตัวเปลี่ยนทิศทาง (ซึ่งจะกำจัดของเสียออกจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ทำงานอยู่เพื่อให้พลาสมาร้อนพอที่จะเผาไหม้)

“เรากำลังพยายามระบุพฤติกรรมพื้นฐานของวัสดุที่หันหน้าเข้าหาพลาสมา โดยมีเป้าหมายเพื่อทำความเข้าใจกลไกการย่อยสลายให้ดีขึ้น เพื่อให้เราสามารถสร้างวัสดุใหม่ที่แข็งแกร่งได้” Chad Parish นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ของ Department of Energy กล่าว เขาเป็นผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาในวารสารรายงานทางวิทยาศาสตร์ที่สำรวจการย่อยสลายของทังสเตนภายใต้สภาวะที่เกี่ยวข้องกับเครื่องปฏิกรณ์

เนื่องจากทังสเตนมีจุดหลอมเหลวสูงที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด จึงเป็นตัวเลือกสำหรับวัสดุที่หันหน้าไปทางพลาสมา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเปราะบางของมัน โรงไฟฟ้าเชิงพาณิชย์จึงมีแนวโน้มที่จะทำจากโลหะผสมทังสเตนหรือคอมโพสิตมากกว่า ไม่ว่าการเรียนรู้ว่าการทิ้งระเบิดปรมาณูที่มีพลังส่งผลต่อทังสเตนด้วยกล้องจุลทรรศน์จะช่วยให้วิศวกรปรับปรุงวัสดุนิวเคลียร์ได้อย่างไร

“ภายในโรงไฟฟ้าฟิวชั่นเป็นวิศวกรสิ่งแวดล้อมที่โหดเหี้ยมที่สุดเท่าที่เคยถูกขอให้ออกแบบวัสดุสำหรับ” Parish กล่าว “มันแย่กว่าภายในเครื่องยนต์ไอพ่นเสียอีก”

นักวิจัยกำลังศึกษาปฏิสัมพันธ์ของพลาสมาและส่วนประกอบของเครื่องจักรเพื่อสร้างวัสดุที่เข้ากันไม่ได้กับสภาวะการทำงานที่รุนแรงเช่นนี้ ความน่าเชื่อถือของวัสดุเป็นประเด็นสำคัญสำหรับเทคโนโลยีนิวเคลียร์ทั้งในปัจจุบันและใหม่ ซึ่งมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อต้นทุนการก่อสร้างและการดำเนินงานของโรงไฟฟ้า ดังนั้นการออกแบบวัสดุให้มีความทนทานตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนานจึงเป็นสิ่งสำคัญ

สำหรับการศึกษาในปัจจุบัน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ระดมยิงทังสเตนด้วยพลาสมาฮีเลียมที่พลังงานต่ำ โดยเลียนแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันภายใต้สภาวะปกติ ในขณะเดียวกัน นักวิจัยที่ ORNL ใช้ศูนย์วิจัยไอออนหลายประจุเพื่อโจมตีทังสเตนด้วยไอออนฮีเลียมพลังงานสูงโดยเลียนแบบสภาวะที่หายาก เช่น การหยุดชะงักของพลาสมาที่อาจสะสมพลังงานจำนวนมากผิดปกติ

นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบสแกน กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด และนาโนคริสตัลโลกราฟีของอิเล็กตรอน นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาลักษณะวิวัฒนาการของฟองอากาศในผลึกทังสเตน ตลอดจนรูปร่างและการเจริญเติบโตของโครงสร้างที่เรียกว่า "เอ็นดริล" ภายใต้สภาวะที่มีพลังงานต่ำและสูง พวกเขาได้ส่งตัวอย่างไปยังบริษัทที่เรียกว่า AppFive สำหรับการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนแบบพรีเซสชัน ซึ่งเป็นเทคนิคการถ่ายภาพผลึกอิเล็กตรอนขั้นสูง เพื่ออนุมานกลไกการเติบโตภายใต้สภาวะที่ต่างกัน

ไม่กี่ปีมาแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าทังสเตนตอบสนองต่อพลาสมาโดยการสร้างกิ่งเลื้อยที่เป็นผลึกในระดับหนึ่งในพันล้านเมตรหรือนาโนเมตร ซึ่งเป็นสนามหญ้าเล็กๆ ชนิดหนึ่ง การศึกษาในปัจจุบันพบว่า กิ่งเลื้อยที่เกิดจากการโจมตีด้วยพลังงานต่ำจะเติบโตช้ากว่า ละเอียดกว่า และเรียบเนียนกว่า ซึ่งก่อตัวเป็นพรมฝอยที่หนาแน่นกว่าเส้นใยที่เกิดจากการโจมตีด้วยพลังงานสูง

ในโลหะ อะตอมจะมีการจัดเรียงโครงสร้างอย่างเป็นระเบียบโดยมีช่องว่างระหว่างอะตอมเหล่านั้น หากอะตอมถูกแทนที่ พื้นที่ว่างหรือ "ตำแหน่งว่าง" จะยังคงอยู่ หากการแผ่รังสีเช่นลูกบิลเลียดทำให้อะตอมหลุดออกจากตำแหน่งและปล่อยให้มีที่ว่าง อะตอมนั้นจะต้องไปที่ไหนสักแห่ง มันอัดตัวกันระหว่างอะตอมอื่นๆ ในคริสตัล และกลายเป็นสิ่งคั่นระหว่างหน้า

การทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันปกติจะทำให้ตัวเปลี่ยนทิศทางสัมผัสกับฟลักซ์ที่สูงของอะตอมฮีเลียมพลังงานต่ำมาก “ไอออนฮีเลียมไม่ได้กระแทกแรงพอที่จะทำให้ลูกบิลเลียดชนกัน ดังนั้นมันจึงต้องแอบเข้าไปในโครงตาข่ายเพื่อเริ่มสร้างฟองอากาศหรือข้อบกพร่องอื่นๆ” Parish อธิบาย

นักทฤษฎีอย่าง Brian Wirth ซึ่งเป็นประธานผู้ว่าการ UT-ORNL ได้สร้างแบบจำลองของระบบและเชื่อว่าวัสดุที่ถูกแทนที่จากโครงตาข่ายเมื่อฟองสบู่ก่อตัวกลายเป็นส่วนสำคัญของไม้เลื้อย อะตอมของฮีเลียมเดินไปรอบ ๆ ขัดแตะแบบสุ่ม Parish กล่าว พวกมันชนเข้ากับฮีเลียมตัวอื่นและรวมพลังกัน ในที่สุดกระจุกก็ใหญ่พอที่จะทำให้อะตอมทังสเตนหลุดออกจากตำแหน่งได้

“ทุกครั้งที่ฟองสบู่โตขึ้น มันจะผลักอะตอมทังสเตนอีก 2-3 อะตอมออกจากบริเวณนั้น และพวกมันต้องไปที่ไหนสักแห่ง พวกมันจะถูกดึงดูดไปที่ผิวน้ำ” แพริชกล่าว “เราเชื่อว่านั่นคือกลไกที่นาโนฟัซนี้ก่อตัวขึ้น”

นักวิทยาศาสตร์ด้านการคำนวณทำการจำลองบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์เพื่อศึกษาวัสดุในระดับอะตอม หรือขนาดนาโนเมตรและมาตราส่วนเวลานาโนวินาที วิศวกรสำรวจว่าวัสดุจะเกิดการเปราะ แตกร้าว และมีลักษณะอย่างไรหลังจากสัมผัสกับพลาสมาเป็นเวลานาน ตามมาตราส่วนความยาวเป็นเซนติเมตรและเวลาเป็นชั่วโมง “แต่ระหว่างนั้นมีวิทยาศาสตร์เพียงเล็กน้อย” Parish กล่าว ซึ่งการทดลองของเขาเติมเต็มช่องว่างความรู้นี้เพื่อศึกษาสัญญาณแรกของการย่อยสลายของวัสดุและระยะแรกของการเจริญเติบโตของนาโนเทนดริล

ฟัซซี่ดีหรือไม่ดี? “Fuzz มีแนวโน้มที่จะมีทั้งคุณสมบัติที่เป็นอันตรายและเป็นประโยชน์ แต่จนกว่าเราจะทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ เราไม่สามารถออกแบบวัสดุเพื่อพยายามกำจัดสิ่งที่ไม่ดีในขณะที่เน้นย้ำถึงสิ่งที่ดี” Parish กล่าว ในด้านบวก ทังสเตนฟัซซี่อาจรับภาระความร้อนที่จะทำให้ทังสเตนแตกเป็นก้อน และการกัดเซาะนั้นมีความคลุมเครือน้อยกว่าทังสเตนเทกองถึง 10 เท่า ในด้านลบ นาโนเทนดริลสามารถแตกออก กลายเป็นฝุ่นที่ทำให้พลาสมาเย็นลงได้ เป้าหมายต่อไปของนักวิทยาศาสตร์คือการเรียนรู้ว่าวัสดุมีวิวัฒนาการอย่างไร และง่ายเพียงใดในการแยกนาโนเทนดริลออกจากพื้นผิว

พันธมิตร ORNL ได้เผยแพร่การทดลองด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดล่าสุดที่ส่องสว่างพฤติกรรมของทังสเตน การศึกษาชิ้นหนึ่งพบว่าการเติบโตของกิ่งเลื้อยไม่ได้ดำเนินไปในทิศทางที่ต้องการ การตรวจสอบอีกครั้งเผยให้เห็นว่าการตอบสนองของทังสเตนที่หันหน้าไปทางพลาสมาต่อฟลักซ์อะตอมของฮีเลียมพัฒนาจากนาโนฟัซเท่านั้น (ที่ฟลักซ์ต่ำ) ไปจนถึงนาโนฟัซบวกฟอง (ที่ฟลักซ์สูง)

ชื่อเรื่องของรายงานฉบับปัจจุบันคือ "สัณฐานวิทยาของทังสเตนนาโนเทนดริลที่ปลูกภายใต้การสัมผัสฮีเลียม"