Lò phản ứng nhiệt hạch về cơ bản là một chai từ tính chứa các quá trình tương tự xảy ra trong mặt trời. Nhiên liệu deuterium và triti kết hợp với nhau tạo thành hơi ion helium, neutron và nhiệt. Khi khí nóng, bị ion hóa này—được gọi là plasma—cháy, nhiệt lượng đó được truyền vào nước để tạo thành hơi nước làm quay tua-bin tạo ra điện. Plasma quá nhiệt gây ra mối đe dọa thường xuyên cho thành lò phản ứng và bộ chuyển hướng (loại bỏ chất thải khỏi lò phản ứng đang vận hành để giữ cho plasma đủ nóng để đốt cháy).

Nhà khoa học vật liệu Chad Parish thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng cho biết: “Chúng tôi đang cố gắng xác định hành vi cơ bản của các vật liệu tiếp xúc với plasma với mục tiêu hiểu rõ hơn về cơ chế phân hủy để có thể chế tạo các vật liệu mới, bền bỉ”. Ông là tác giả cao cấp của một nghiên cứu trên tạp chíBáo cáo khoa họcđã khám phá sự xuống cấp của vonfram trong các điều kiện liên quan đến lò phản ứng.

Vì vonfram có điểm nóng chảy cao nhất trong tất cả các kim loại nên nó là ứng cử viên cho vật liệu tiếp xúc với plasma. Tuy nhiên, do tính giòn của nó, nên một nhà máy điện thương mại thường được làm bằng hợp kim vonfram hoặc composite. Bất chấp điều đó, việc tìm hiểu về ảnh hưởng của vụ bắn phá nguyên tử mang năng lượng đến vonfram dưới kính hiển vi sẽ giúp các kỹ sư cải tiến vật liệu hạt nhân.

Parish cho biết: “Bên trong một nhà máy điện nhiệt hạch là những kỹ sư môi trường khắc nghiệt nhất từng được yêu cầu thiết kế vật liệu cho nó”. “Nó còn tệ hơn cả bên trong động cơ phản lực.”

Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu sự tương tác giữa plasma và các bộ phận của máy để tạo ra những vật liệu phù hợp hơn với những điều kiện vận hành khắc nghiệt như vậy. Độ tin cậy của vật liệu là vấn đề then chốt đối với các công nghệ hạt nhân hiện tại và mới, có tác động đáng kể đến chi phí xây dựng và vận hành của các nhà máy điện. Vì vậy, điều quan trọng là phải chế tạo vật liệu có độ bền cao trong vòng đời dài.

Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, San Diego, đã bắn phá vonfram bằng plasma helium ở năng lượng thấp mô phỏng lò phản ứng nhiệt hạch trong điều kiện bình thường. Trong khi đó, các nhà nghiên cứu tại ORNL đã sử dụng Cơ sở Nghiên cứu Ion Đa năng để tấn công vonfram bằng các ion helium năng lượng cao mô phỏng các điều kiện hiếm gặp, chẳng hạn như sự gián đoạn plasma có thể tích tụ một lượng năng lượng lớn bất thường.

Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi điện tử truyền qua quét, kính hiển vi điện tử quét và phương pháp tinh thể nano điện tử, các nhà khoa học đã mô tả sự tiến hóa của bong bóng trong tinh thể vonfram cũng như hình dạng và sự phát triển của các cấu trúc được gọi là “tân” trong điều kiện năng lượng thấp và năng lượng cao. Họ đã gửi các mẫu đến một công ty tên là AppFive để nhiễu xạ điện tử tuế sai, một kỹ thuật tinh thể điện tử tiên tiến, để suy ra các cơ chế phát triển trong các điều kiện khác nhau.

Trong một vài năm, các nhà khoa học đã biết rằng vonfram phản ứng với plasma bằng cách hình thành các đường gân tinh thể ở quy mô một phần tỷ mét, hay nanomet – một loại bãi cỏ nhỏ. Nghiên cứu hiện tại phát hiện ra rằng các tua được tạo ra bởi sự bắn phá năng lượng thấp hơn phát triển chậm hơn, mịn hơn và mượt mà hơn—tạo thành một tấm thảm lông tơ dày đặc hơn—so với các tua được tạo ra bởi cuộc tấn công năng lượng cao hơn.

Trong kim loại, các nguyên tử có sự sắp xếp cấu trúc có trật tự với các khoảng cách xác định giữa chúng. Nếu một nguyên tử bị dịch chuyển thì vẫn còn một vị trí trống, hay còn gọi là “khoảng trống”. Nếu bức xạ, giống như quả bóng bi-a, đánh bật một nguyên tử ra khỏi vị trí của nó và để lại một chỗ trống, thì nguyên tử đó phải đi đâu đó. Nó chen chúc giữa các nguyên tử khác trong tinh thể, trở thành một kẽ hở.

Hoạt động bình thường của lò phản ứng nhiệt hạch làm cho bộ chuyển hướng tiếp xúc với dòng nguyên tử helium năng lượng rất thấp. “Một ion helium không va chạm đủ mạnh để gây ra va chạm quả bi-a, nên nó phải lẻn vào mạng tinh thể để bắt đầu hình thành bong bóng hoặc các khuyết tật khác,” Parish giải thích.

Các nhà lý thuyết như Brian Wirth, Chủ tịch Thống đốc UT-ORNL, đã lập mô hình hệ thống và tin rằng vật liệu bị dịch chuyển khỏi mạng khi bong bóng hình thành sẽ trở thành khối xây dựng của các đường gân. Parish cho biết các nguyên tử helium lang thang quanh mạng một cách ngẫu nhiên. Chúng va vào các khí heli khác và hợp lực. Cuối cùng, cụm này đủ lớn để đánh bật một nguyên tử vonfram khỏi vị trí của nó.

“Mỗi khi bong bóng lớn lên, nó lại đẩy thêm một vài nguyên tử vonfram ra khỏi vị trí của chúng và chúng phải đi đâu đó. Chúng sẽ bị thu hút lên bề mặt,” Parish nói. “Chúng tôi tin rằng đó chính là cơ chế mà sợi lông tơ nano này hình thành.”

Các nhà khoa học tính toán chạy mô phỏng trên siêu máy tính để nghiên cứu vật liệu ở cấp độ nguyên tử hoặc kích thước nanomet và thang thời gian nano giây. Các kỹ sư khám phá cách vật liệu trở nên giòn, nứt và hoạt động khác sau khi tiếp xúc lâu với plasma, trên thang đo chiều dài centimet và thời gian theo giờ. Parish cho biết: “Nhưng có rất ít khoa học ở giữa”. Thí nghiệm của họ đã lấp đầy lỗ hổng kiến ​​thức này để nghiên cứu những dấu hiệu đầu tiên của sự thoái hóa vật liệu và giai đoạn đầu của quá trình phát triển nanotendril.

Vậy lông tơ là tốt hay xấu? Parish cho biết: “Lông tơ có thể có cả đặc tính có hại và có lợi, nhưng cho đến khi chúng ta biết nhiều hơn về nó, chúng ta không thể chế tạo vật liệu để cố gắng loại bỏ cái xấu trong khi làm nổi bật cái tốt”. Về mặt tích cực, vonfram mờ có thể chịu tải nhiệt có thể làm nứt vonfram khối và độ xói mòn ở khối mờ ít hơn 10 lần so với vonfram khối. Về mặt tiêu cực, các sợi nano có thể bị vỡ ra, tạo thành bụi có thể làm mát plasma. Mục tiêu tiếp theo của các nhà khoa học là tìm hiểu vật liệu tiến hóa như thế nào và việc tách các sợi nano ra khỏi bề mặt dễ dàng như thế nào.

Các đối tác của ORNL đã công bố các thí nghiệm kính hiển vi điện tử quét gần đây làm sáng tỏ hành vi của vonfram. Một nghiên cứu cho thấy sự phát triển của gân không diễn ra theo bất kỳ hướng ưa thích nào. Một nghiên cứu khác tiết lộ rằng phản ứng của vonfram đối mặt với plasma với dòng nguyên tử helium phát triển từ chỉ nanofuzz ​​(ở dòng thấp) đến nanofuzz ​​cộng với bong bóng (ở dòng cao).

Tiêu đề của bài báo hiện tại là “Hình thái của các sợi nano vonfram phát triển khi tiếp xúc với khí heli”.