A fúziós reaktor lényegében egy mágneses palack, amely ugyanazokat a folyamatokat tartalmazza, mint a napon.A deutérium és a trícium üzemanyagok összeolvadnak, és hélium ionokból, neutronokból és hőből gőzt képeznek.Miközben ez a forró, ionizált gáz – az úgynevezett plazma – ég, ez a hő vízbe kerül, és gőzből elektromos áramot termelő turbinákat alakítanak ki.A túlhevített plazma állandó fenyegetést jelent a reaktor falára és a divertorra (amely eltávolítja a hulladékot az üzemelő reaktorból, hogy a plazma elég meleg legyen az égéshez).

"Megpróbáljuk meghatározni a plazmával szemben lévő anyagok alapvető viselkedését, hogy jobban megértsük a lebomlási mechanizmusokat, hogy robusztus, új anyagokat tudjunk kifejleszteni" - mondta Chad Parish anyagtudós, az Energiaügyi Minisztérium Oak Ridge National Laboratory munkatársa.A folyóiratban megjelent tanulmány vezető szerzőjeTudományos Jelentésekamely a wolfram lebomlását vizsgálta a reaktor szempontjából releváns körülmények között.

Mivel a volfrámnak van a legmagasabb olvadáspontja az összes fém közül, ezért alkalmas a plazma felületű anyagokra.Törékenysége miatt azonban egy kereskedelmi erőmű nagyobb valószínűséggel volfrámötvözetből vagy kompozitból készülne.Ettől függetlenül, ha megtanulják, hogyan hat az energetikai atombombázás mikroszkópikusan a volfrámra, az segít a mérnököknek a nukleáris anyagok fejlesztésében.

„Egy fúziós erőmű belsejében van a legbrutálisabb környezet, amelyhez valaha is kértek anyagokat a mérnököktől” – mondta Parish.– Rosszabb, mint egy sugárhajtómű belseje.

A kutatók a plazma és a gépalkatrészek kölcsönhatását tanulmányozzák, hogy olyan anyagokat állítsanak elő, amelyek jobban megfelelnek az ilyen kemény működési feltételeknek.Az anyagmegbízhatóság kulcskérdés a jelenlegi és az új nukleáris technológiáknál, amely jelentős hatással van az erőművek építési és üzemeltetési költségeire.Ezért kritikus fontosságú, hogy az anyagokat hosszú élettartamú szilárdságra tervezzék.

A jelenlegi tanulmányhoz a Kaliforniai Egyetem (San Diego) kutatói volfrámot bombáztak héliumplazmával, alacsony energiájú fúziós reaktort utánozva normál körülmények között.Eközben az ORNL kutatói a Multicharged Ion Research Facility segítségével támadták meg a volfrámot nagy energiájú héliumionokkal, amelyek olyan ritka állapotokat emulálnak, mint például a plazmazavar, amely abnormálisan nagy mennyiségű energiát rakhat le.

A tudósok transzmissziós elektronmikroszkóppal, pásztázó transzmissziós elektronmikroszkóppal, pásztázó elektronmikroszkóppal és elektron-nanokristályográfiával jellemezték a volfrámkristályban lévő buborékok kialakulását, valamint a „indáknak” nevezett struktúrák alakját és növekedését alacsony és nagy energiájú körülmények között.A mintákat elküldték az AppFive nevű cégnek precessziós elektrondiffrakcióra, egy fejlett elektronkrisztallográfiai technikára, hogy következtessenek a növekedési mechanizmusokra különböző körülmények között.

A tudósok néhány éve tudják, hogy a wolfram a plazmára úgy reagál, hogy kristályos indákat hoz létre a méter milliárdod részének vagy nanométeres léptékben – ez egy apró pázsit.A jelenlegi tanulmány kimutatta, hogy az alacsonyabb energiájú bombázás által előállított indák lassabb növekedésűek, finomabbak és simábbak – sűrűbb bolyhos szőnyeget alkotva –, mint a nagyobb energiájú támadás során keletkező indák.

A fémekben az atomok rendezett szerkezeti elrendezést vesznek fel, köztük meghatározott terekkel.Ha egy atomot eltolunk, egy üres hely vagy „üres hely” marad.Ha a sugárzás, mint egy biliárdgolyó, kiüt egy atomot a helyéről, és ürességet hagy, akkor az atomnak valahova el kell jutnia.A kristály más atomjai közé szorul, és intersticiummá válik.

A fúziós reaktor normál működése az eltérítőt nagyon alacsony energiájú héliumatomok nagy áramlásának teszi ki.„A hélium-ion nem üt elég erősen ahhoz, hogy a biliárdgolyót ütköztessen, ezért be kell osonnia a rácsba, hogy buborékokat vagy más hibákat tudjon képezni” – magyarázta Parish.

Az olyan teoretikusok, mint Brian Wirth, az UT-ORNL kormányzói széke, modellezték a rendszert, és úgy vélik, hogy az anyag, amely a buborékok kialakulásakor kiszorul a rácsból, az indák építőköveivé válik.Parish szerint a hélium atomok véletlenszerűen vándorolnak a rács körül.Más héliumokba ütköznek, és egyesítik erőiket.Végül a klaszter elég nagy ahhoz, hogy egy wolfram atomot leljen a helyéről.

„Minden alkalommal, amikor a buborék nő, néhány további wolframatomot eltávolít a helyükről, és el kell menniük valahova.Vonzani fogják őket a felszínre” – mondta Parish."Úgy gondoljuk, hogy ez az a mechanizmus, amellyel ez a nanofuzz ​​kialakul."

A számítástechnikai tudósok szuperszámítógépeken szimulációkat futtatnak, hogy az anyagokat atomi szinten, vagy nanométeres méretben és nanoszekundumos időskálán tanulmányozzák.A mérnökök azt vizsgálják, hogyan töredeznek, repednek és hogyan viselkednek más módon az anyagok hosszan tartó plazma expozíció után, centiméteres és órás időskálán.„De a tudomány között kevés volt” – mondta Parish, akinek kísérlete kitöltötte ezt a tudásbeli hiányt, hogy tanulmányozza az anyagromlás első jeleit és a nanoindák növekedésének korai szakaszait.

Szóval a fuzz jó vagy rossz?„A fuzznak valószínűleg vannak káros és jótékony tulajdonságai is, de amíg többet nem tudunk róla, nem tudunk olyan anyagokat megtervezni, amelyek megpróbálják kiküszöbölni a rosszat, miközben kiemelik a jót” – mondta Parish.Pozitívum, hogy a fuzzy volfrám olyan hőterhelést vehet igénybe, amely feltörné az ömlesztett volfrámot, és az erózió tízszer kisebb a fuzzy volfrámban, mint az ömlesztett volfrám.A negatív oldalon a nanoindák letörhetnek, és olyan port képeznek, amely lehűti a plazmát.A tudósok következő célja, hogy megismerjék, hogyan fejlődik az anyag, és milyen könnyű eltörni a nanoindákat a felszínről.

Az ORNL partnerei nemrégiben publikáltak pásztázó elektronmikroszkópos kísérleteket, amelyek megvilágítják a volfrám viselkedését.Egy tanulmány kimutatta, hogy az indák növekedése nem az előnyben részesített irányban haladt.Egy másik vizsgálat feltárta, hogy a plazma felé néző wolfram héliumatom fluxusra adott válasza csak nanofuzztól (alacsony fluxus mellett) nanofuzz ​​plusz buborékokig (nagy fluxus mellett) fejlődött.

A jelenlegi cikk címe: „Hélium expozíció alatt termesztett volfrám nanoindák morfológiái”.