Ang isang fusion reactor ay mahalagang isang magnetic bottle na naglalaman ng parehong mga proseso na nangyayari sa araw. Ang mga gasolina ng Deuterium at tritium ay nagsasama upang bumuo ng singaw ng mga helium ions, neutron at init. Habang ang mainit, ionized na gas na ito—tinatawag na plasma—ay nasusunog, ang init na iyon ay inililipat sa tubig upang gumawa ng singaw upang paikutin ang mga turbine na lumilikha ng kuryente. Ang sobrang init na plasma ay nagdudulot ng patuloy na banta sa dingding ng reaktor at sa divertor (na nag-aalis ng basura mula sa operating reactor upang mapanatiling mainit ang plasma upang masunog).

"Sinusubukan naming tukuyin ang pangunahing pag-uugali ng mga materyal na nakaharap sa plasma na may layunin ng mas mahusay na pag-unawa sa mga mekanismo ng pagkasira upang makapag-engineer kami ng matatag, mga bagong materyales," sabi ng siyentista ng mga materyales na si Chad Parish ng Oak Ridge National Laboratory ng Department of Energy. Siya ay senior author ng isang pag-aaral sa journalMga Ulat sa Siyentipikona ginalugad ang pagkasira ng tungsten sa ilalim ng mga kondisyong nauugnay sa reaktor.

Dahil ang tungsten ay may pinakamataas na punto ng pagkatunaw ng lahat ng mga metal, ito ay isang kandidato para sa mga materyales na nakaharap sa plasma. Dahil sa brittleness nito, gayunpaman, ang isang komersyal na planta ng kuryente ay mas malamang na gawa sa isang tungsten alloy o composite. Anuman, ang pag-aaral tungkol sa kung paano nakakaapekto ang energetic atomic bombardment sa tungsten microscopically ay nakakatulong sa mga inhinyero na mapabuti ang mga nuclear material.

"Sa loob ng isang fusion power plant ay ang pinaka-brutal na environment engineer na hiniling na magdisenyo ng mga materyales para sa," sabi ng Parish. "Ito ay mas masahol pa kaysa sa loob ng isang jet engine."

Pinag-aaralan ng mga mananaliksik ang pakikipag-ugnayan ng plasma at mga bahagi ng makina upang makagawa ng mga materyales na higit sa isang tugma para sa mga malupit na kondisyon sa pagpapatakbo. Ang pagiging maaasahan ng mga materyales ay isang pangunahing isyu sa kasalukuyan at bagong mga teknolohiyang nuklear na may malaking epekto sa mga gastos sa pagtatayo at pagpapatakbo ng mga power plant. Kaya't kritikal ang pag-engineer ng mga materyales para sa tibay sa mahabang panahon ng buhay.

Para sa kasalukuyang pag-aaral, ang mga mananaliksik sa Unibersidad ng California, San Diego, ay binomba ang tungsten na may helium plasma sa mababang enerhiya na ginagaya ang isang fusion reactor sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Samantala, ginamit ng mga mananaliksik sa ORNL ang Multicharged Ion Research Facility upang salakayin ang tungsten na may mga high-energy helium ions na tumutulad sa mga bihirang kondisyon, tulad ng pagkagambala sa plasma na maaaring magdeposito ng abnormal na malaking halaga ng enerhiya.

Gamit ang transmission electron microscopy, scanning transmission electron microscopy, scanning electron microscopy at electron nanocrystallography, nailalarawan ng mga siyentipiko ang ebolusyon ng mga bula sa tungsten crystal at ang hugis at ang paglaki ng mga istrukturang tinatawag na "tendrils" sa ilalim ng mababang at mataas na enerhiya na mga kondisyon. Ipinadala nila ang mga sample sa isang firm na tinatawag na AppFive para sa precession electron diffraction, isang advanced na electron crystallography technique, upang ipahiwatig ang mga mekanismo ng paglago sa ilalim ng iba't ibang kundisyon.

Sa loob ng ilang taon, alam ng mga siyentipiko na ang tungsten ay tumutugon sa plasma sa pamamagitan ng pagbuo ng mga mala-kristal na tendril sa sukat na bilyon-bilyong metro, o nanometer—isang maliit na uri ng damuhan. Natuklasan ng kasalukuyang pag-aaral na ang mga tendril na ginawa ng mas mababang enerhiya na pambobomba ay mas mabagal na lumalaki, mas pino at mas makinis—na bumubuo ng mas siksik na karpet ng fuzz—kaysa sa mga nilikha ng mas mataas na enerhiya na pag-atake.

Sa mga metal, ipinapalagay ng mga atomo ang isang maayos na kaayusan sa istruktura na may tinukoy na mga puwang sa pagitan nila. Kung ang isang atom ay inilipat, isang walang laman na site, o "bakante," nananatili. Kung ang radiation, tulad ng isang bola ng bilyar, ay nagpatumba ng isang atom sa lugar nito at nag-iiwan ng bakante, ang atom na iyon ay kailangang pumunta sa isang lugar. Pinipigilan nito ang sarili sa pagitan ng iba pang mga atomo sa kristal, na nagiging interstitial.

Ang normal na operasyon ng fusion-reactor ay naglalantad sa divertor sa isang mataas na flux ng napakababang-enerhiya na mga atomo ng helium. "Ang isang helium ion ay hindi sapat na tumatama upang magawa ang pagbangga ng bola ng bilyar, kaya kailangan itong lumabas sa sala-sala upang magsimulang bumuo ng mga bula o iba pang mga depekto," paliwanag ng Parish.

Ang mga teorista tulad ni Brian Wirth, isang Tagapangulo ng Gobernador ng UT-ORNL, ay nagmodelo ng sistema at naniniwala na ang materyal na nalilikas mula sa sala-sala kapag ang mga bula ay nabubuo ang nagiging mga bloke ng pagbuo ng mga tendrils. Ang mga atom ng helium ay gumagala sa paligid ng sala-sala nang random, sabi ng Parish. Nabunggo sila sa iba pang mga helium at nagsanib-puwersa. Sa kalaunan ang kumpol ay sapat na malaki upang matumba ang isang tungsten atom mula sa site nito.

"Sa tuwing lumalaki ang bula, itinutulak nito ang ilang higit pang mga atomo ng tungsten mula sa kanilang mga site, at kailangan nilang pumunta sa isang lugar. Maaakit sila sa ibabaw,” sabi ng Parish. "Iyon, naniniwala kami, ang mekanismo kung saan nabuo ang nanofuzz ​​na ito."

Ang mga computational scientist ay nagpapatakbo ng mga simulation sa mga supercomputer upang pag-aralan ang mga materyales sa kanilang atomic level, o nanometer size at nanosecond time scales. Sinasaliksik ng mga inhinyero kung paano nabubulok, nabibitak, at kung hindi man ay kumikilos ang mga materyales pagkatapos ng mahabang pagkakalantad sa plasma, sa haba ng sentimetro at mga sukat ng oras ng oras. "Ngunit mayroong maliit na agham sa pagitan," sabi ng Parish, na ang eksperimento ay pinunan ang puwang ng kaalaman na ito upang pag-aralan ang mga unang palatandaan ng pagkasira ng materyal at ang mga unang yugto ng paglago ng nanotendril.

Kaya ang fuzz ay mabuti o masama? "Ang Fuzz ay malamang na magkaroon ng parehong nakapipinsala at kapaki-pakinabang na mga katangian, ngunit hangga't hindi namin nalalaman ang higit pa tungkol dito, hindi kami makakapag-engineer ng mga materyales upang subukang alisin ang masama habang binibigyang diin ang mabuti," sabi ng Parish. Sa karagdagan, ang fuzzy tungsten ay maaaring tumagal ng mga heat load na pumutok sa bulk tungsten, at ang erosion ay 10 beses na mas mababa sa fuzzy kaysa sa bulk tungsten. Sa minus na bahagi, ang mga nanotendril ay maaaring masira, na bumubuo ng isang alikabok na maaaring magpalamig ng plasma. Ang susunod na layunin ng mga siyentipiko ay matutunan kung paano nagbabago ang materyal at kung gaano kadaling sirain ang mga nanotendril palayo sa ibabaw.

Ang mga kasosyo sa ORNL ay naglathala ng kamakailang pag-scan ng mga eksperimento sa mikroskopya ng elektron na nagbibigay-liwanag sa gawi ng tungsten. Ang isang pag-aaral ay nagpakita ng paglago ng tendril ay hindi nagpapatuloy sa anumang ginustong oryentasyon. Ang isa pang pagsisiyasat ay nagsiwalat na ang tugon ng plasma-facing tungsten sa helium atom flux ay nagbago mula sa nanofuzz ​​lamang (sa mababang pagkilos ng bagay) hanggang sa nanofuzz ​​at mga bula (sa mataas na pagkilos ng bagay).

Ang pamagat ng kasalukuyang papel ay "Mga Morphologies ng tungsten nanotendrils na lumago sa ilalim ng helium exposure."