Bir füzyon reaktörü aslında güneşte meydana gelen süreçlerin aynısını içeren manyetik bir şişedir. Döteryum ve trityum yakıtları birleşerek helyum iyonları, nötronlar ve ısıdan oluşan bir buhar oluşturur. Plazma adı verilen bu sıcak, iyonize gaz yanarken, bu ısı, elektrik üreten türbinleri döndürecek buharı oluşturmak için suya aktarılır. Aşırı ısınmış plazma, reaktör duvarı ve dalgıç (plazmayı yanacak kadar sıcak tutmak için çalışan reaktördeki atıkları uzaklaştıran) için sürekli bir tehdit oluşturur.

Enerji Bakanlığı'nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan malzeme bilimcisi Chad Parish, "Güçlü, yeni malzemeler üretebilmek için bozunma mekanizmalarını daha iyi anlamak amacıyla plazmaya bakan malzemelerin temel davranışını belirlemeye çalışıyoruz" dedi. Dergideki bir çalışmanın kıdemli yazarıdır.Bilimsel Raporlarreaktörle ilgili koşullar altında tungstenin bozunmasını araştırdı.

Tungsten tüm metaller arasında en yüksek erime noktasına sahip olduğundan, plazmaya bakan malzemeler için adaydır. Ancak kırılganlığı nedeniyle ticari bir enerji santralinin tungsten alaşımından veya kompozitten yapılmış olması daha muhtemeldir. Ne olursa olsun, enerjik atom bombardımanının tungsteni mikroskobik olarak nasıl etkilediğini öğrenmek, mühendislerin nükleer malzemeleri geliştirmesine yardımcı olur.

Parish, "Bir füzyon enerji santralinin içinde, çevre mühendislerinden şimdiye kadar malzeme tasarlamaları istenen en acımasız kişiler var" dedi. “Bir jet motorunun içinden daha kötü.”

Araştırmacılar, bu tür zorlu çalışma koşullarına uygun malzemeler üretmek için plazma ve makine bileşenlerinin etkileşimi üzerinde çalışıyorlar. Malzeme güvenilirliği, enerji santrallerinin inşaat ve işletme maliyetleri üzerinde önemli etkisi olan mevcut ve yeni nükleer teknolojilerle ilgili önemli bir konudur. Bu nedenle malzemelerin uzun yaşam döngüleri boyunca sağlamlık sağlayacak şekilde tasarlanması kritik öneme sahiptir.

Mevcut çalışma için San Diego'daki California Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, normal koşullar altında bir füzyon reaktörünü taklit ederek tungsteni düşük enerjide helyum plazmasıyla bombaladılar. Bu arada, ORNL'deki araştırmacılar, anormal derecede büyük miktarda enerji biriktirebilecek bir plazma bozulması gibi nadir koşulları taklit eden yüksek enerjili helyum iyonlarıyla tungstene saldırmak için Çoklu Yüklü İyon Araştırma Tesisini kullandılar.

Bilim insanları, transmisyon elektron mikroskobu, taramalı transmisyon elektron mikroskobu, taramalı elektron mikroskobu ve elektron nanokristalografisini kullanarak, tungsten kristalindeki kabarcıkların evrimini ve düşük ve yüksek enerji koşulları altında "dallar" adı verilen yapıların şeklini ve büyümesini tanımladılar. Numuneleri, farklı koşullar altında büyüme mekanizmalarını anlamak için gelişmiş bir elektron kristalografisi tekniği olan devinim elektron kırınımı için AppFive adlı bir firmaya gönderdiler.

Bilim adamları birkaç yıldır tungstenin plazmaya metrenin milyarda biri veya nanometre ölçeğinde kristal dallar (bir çeşit küçük çim) oluşturarak tepki verdiğini biliyorlardı. Mevcut çalışma, düşük enerjili bombardımanla üretilen dalların, yüksek enerjili saldırıyla oluşturulanlara göre daha yavaş büyüdüğünü, daha ince ve pürüzsüz olduğunu (daha yoğun bir tüy halısı oluşturduğunu) keşfetti.

Metallerde atomlar, aralarında belirli boşluklar bulunan düzenli bir yapısal düzenlemeye sahiptir. Bir atomun yeri değiştirilirse boş bir bölge veya "boşluk" kalır. Eğer radyasyon, tıpkı bilardo topu gibi, bir atomu bulunduğu yerden koparıp boşluk bırakıyorsa, o atomun bir yere gitmesi gerekir. Kristaldeki diğer atomların arasına sıkışıp bir ara yer haline geliyor.

Normal füzyon reaktörü çalışması, dalgıcı çok düşük enerjili helyum atomlarının yüksek akışına maruz bırakır. Parish, "Bir helyum iyonu bilardo topu çarpışmasını sağlayacak kadar sert vurmuyor, bu nedenle kabarcıklar veya başka kusurlar oluşturmaya başlamak için kafesin içine gizlice girmesi gerekiyor" diye açıkladı.

UT-ORNL Valisi Başkanı Brian Wirth gibi teorisyenler sistemi modellediler ve kabarcıklar oluştuğunda kafesten çıkan malzemenin filizlerin yapı taşları haline geldiğine inanıyorlar. Parish, helyum atomlarının kafesin etrafında rastgele dolaştığını söyledi. Diğer helyumlarla karşılaşırlar ve güçlerini birleştirirler. Sonunda küme, bir tungsten atomunu yerinden çıkaracak kadar büyük olur.

"Kabarcık her büyüdüğünde, birkaç tungsten atomunu daha bölgelerinden uzaklaştırıyor ve bir yere gitmeleri gerekiyor. Yüzeye çekilecekler," dedi Parish. "Bu nanofuzz'un oluştuğu mekanizmanın bu olduğuna inanıyoruz."

Hesaplamalı bilim insanları, malzemeleri atomik düzeylerinde veya nanometre boyutlarında ve nanosaniye zaman ölçeklerinde incelemek için süper bilgisayarlarda simülasyonlar çalıştırırlar. Mühendisler, santimetre uzunluk ve saat zaman ölçeklerinde malzemelerin plazmaya uzun süre maruz kaldıktan sonra nasıl kırılganlaştığını, çatladığını ve başka şekilde nasıl davrandığını araştırıyor. Malzeme bozulmasının ilk işaretlerini ve nanotendril büyümesinin erken aşamalarını incelemek için deneyi bu bilgi boşluğunu dolduran Parish, "Ancak arada çok az bilim vardı" dedi.

Peki tüylenme iyi mi kötü mü? Parish, "Fuzz'ın hem zararlı hem de yararlı özelliklere sahip olması muhtemeldir, ancak bu konuda daha fazla bilgi sahibi olana kadar, iyiyi vurgularken kötüyü ortadan kaldırmaya çalışacak malzemeler üretemeyiz" dedi. Artı tarafta, bulanık tungsten, toplu tungsteni parçalayacak ısı yüklerini alabilir ve bulanık tungstende erozyon, toplu tungstenden 10 kat daha azdır. Eksi tarafta, nanodallar kırılarak plazmayı soğutabilecek bir toz oluşturabilir. Bilim adamlarının bir sonraki hedefi, malzemenin nasıl geliştiğini ve nanofilleri yüzeyden ayırmanın ne kadar kolay olduğunu öğrenmek.

ORNL ortakları, tungsten davranışını aydınlatan yakın zamanda taramalı elektron mikroskobu deneyleri yayınladılar. Bir çalışma dal büyümesinin tercih edilen herhangi bir yönde ilerlemediğini gösterdi. Başka bir araştırma, plazmaya bakan tungstenin helyum atomu akışına tepkisinin yalnızca nanofuzz'dan (düşük akışta) nanofuzz ​​artı kabarcıklara (yüksek akışta) doğru geliştiğini ortaya çıkardı.

Mevcut makalenin başlığı “Helyuma maruz kalma altında büyüyen tungsten nanotendrillerin morfolojileri”dir.