Реактор термоядерного синтезу — це, по суті, магнітна пляшка, в якій містяться ті самі процеси, що відбуваються на сонці. Дейтерієве і тритієве паливо зливається з утворенням пари іонів гелію, нейтронів і тепла. Коли цей гарячий іонізований газ, званий плазмою, горить, це тепло передається воді, утворюючи пару для обертання турбін, які виробляють електроенергію. Перегріта плазма створює постійну загрозу для стінки реактора та відводу (який видаляє відходи з працюючого реактора, щоб підтримувати плазму достатньо гарячою для горіння).

«Ми намагаємося визначити фундаментальну поведінку матеріалів, що стикаються з плазмою, з метою кращого розуміння механізмів деградації, щоб ми могли розробити надійні нові матеріали», — сказав науковець з матеріалів Чад Періш з Національної лабораторії Оук-Рідж Департаменту енергетики. Він є старшим автором дослідження в журналіНаукові доповідіякий досліджував деградацію вольфраму в умовах, відповідних реактору.

Оскільки вольфрам має найвищу температуру плавлення з усіх металів, він є кандидатом на плазмові матеріали. Однак через свою крихкість комерційна електростанція, швидше за все, буде виготовлена ​​з вольфрамового сплаву або композиту. Незважаючи на це, знання про те, як енергійне атомне бомбардування впливає на вольфрам під мікроскопом, допомагає інженерам покращувати ядерні матеріали.

«Всередині термоядерної електростанції знаходиться найжорстокіша екологія, для якої інженерів коли-небудь просили розробити матеріали», — сказав Періш. «Це гірше, ніж салон реактивного двигуна».

Дослідники вивчають взаємодію плазми та компонентів машини, щоб створити матеріали, які більше ніж підходять для таких суворих умов експлуатації. Надійність матеріалів є ключовим питанням сучасних і нових ядерних технологій, яке має значний вплив на будівництво та експлуатаційні витрати електростанцій. Тому надзвичайно важливо розробляти матеріали, щоб вони були стійкими протягом тривалого життєвого циклу.

Для поточного дослідження дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго бомбардували вольфрам гелієвою плазмою при низькій енергії, імітуючи термоядерний реактор за нормальних умов. Тим часом дослідники з ORNL використовували Multicharged Ion Research Facility, щоб атакувати вольфрам високоенергетичними іонами гелію, імітуючи рідкісні умови, такі як руйнування плазми, яке може виділити аномально велику кількість енергії.

За допомогою трансмісійної електронної мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії та електронної нанокристалографії вчені охарактеризували еволюцію бульбашок у кристалі вольфраму, а також форму та ріст структур, які називаються «вусиками» в умовах низької та високої енергії. Вони надіслали зразки до фірми під назвою AppFive для прецесійної дифракції електронів, вдосконаленого методу електронної кристалографії, щоб визначити механізми росту за різних умов.

Кілька років вчені знали, що вольфрам реагує на плазму, утворюючи кристалічні вусики в масштабі мільярдних часток метра або нанометрів — свого роду крихітну галявину. Поточне дослідження виявило, що вусики, утворені бомбардуванням з меншою енергією, ростуть повільніше, тонші та гладкіші, утворюючи більш щільний килим пуху, ніж вусики, утворені нападом з більшою енергією.

У металах атоми мають впорядковану структуру з певними проміжками між ними. Якщо атом зміщується, залишається порожнє місце, або «вакансія». Якщо випромінювання, подібно до більярдної кулі, збиває атом зі свого місця і залишає вакансію, цей атом повинен кудись подітися. Він втискається між іншими атомами в кристалі, стаючи інтерстиціалом.

Нормальна робота термоядерного реактора піддає дивертор впливу високого потоку атомів гелію з дуже низькою енергією. «Іон гелію не вдаряє настільки сильно, щоб зіткнутися з більярдною кулею, тому він повинен проникнути в решітку, щоб почати утворювати бульбашки або інші дефекти», — пояснив Періш.

Такі теоретики, як Брайан Вірт, голова губернатора UT-ORNL, змоделювали систему і вважають, що матеріал, який витісняється з решітки під час утворення бульбашок, стає будівельним матеріалом для вусиків. Атоми гелію блукають по решітці безладно, сказав Періш. Вони стикаються з іншими геліями та об’єднують зусилля. Зрештою кластер стає достатньо великим, щоб вибити атом вольфраму зі свого місця.

«Щоразу, коли бульбашка росте, вона виштовхує ще пару атомів вольфраму зі своїх місць, і їм доводиться кудись йти. Їх притягне поверхня», — сказав Періш. «Ми вважаємо, що це механізм, за допомогою якого утворюється цей нанопух».

Науковці з обчислювальної техніки запускають моделювання на суперкомп’ютерах, щоб досліджувати матеріали на їх атомному рівні або нанометровому розмірі та наносекундному часовому масштабі. Інженери досліджують те, як матеріали стають крихкими, тріскаються та іншим чином поводяться після тривалого впливу плазми в масштабах сантиметрової довжини та години. «Але між ними було мало науки», — сказав Періш, чий експеримент заповнив цю прогалину в знаннях, щоб вивчити перші ознаки деградації матеріалу та ранні стадії росту нановусиків.

Отже, пушинка хороша чи погана? «Пух, імовірно, матиме як шкідливі, так і корисні властивості, але доки ми не дізнаємось про нього більше, ми не зможемо розробити матеріали, щоб спробувати усунути погане, підкреслюючи хороше», — сказав Періш. З іншого боку, розмитий вольфрам може сприймати теплові навантаження, які призведуть до розтріскування об’ємного вольфраму, а ерозія у нечістого в 10 разів менша, ніж об’ємного вольфраму. З іншого боку, нановусики можуть відламуватися, утворюючи пил, який може охолоджувати плазму. Наступна мета вчених — дізнатися, як розвивається матеріал і наскільки легко відірвати нановусики від поверхні.

Партнери ORNL опублікували нещодавні експерименти скануючої електронної мікроскопії, які висвітлюють поведінку вольфраму. Одне дослідження показало, що ріст вусиків не відбувався в будь-якій бажаній орієнтації. Інше дослідження показало, що реакція плазмового вольфраму на потік атомів гелію змінилася від лише нанопухистості (при низькому потоці) до нанопухистості плюс бульбашки (при високому потоці).

Назва поточної статті: «Морфології вольфрамових нановусиків, вирощених під впливом гелію».