核融合炉は本質的には、太陽で起こるのと同じプロセスを含む磁気ボトルです。重水素と三重水素燃料は融合してヘリウムイオン、中性子、熱の蒸気を形成します。プラズマと呼ばれるこの高温のイオン化ガスが燃焼すると、その熱が水に伝達されて蒸気が発生し、タービンを回して発電します。過熱したプラズマは、反応器の壁とダイバータ（動作中の反応器から廃棄物を除去してプラズマを燃焼するのに十分な温度に保つ）に常に脅威を与えます。

エネルギー省オークリッジ国立研究所の材料科学者チャド・パリッシュ氏は、「私たちは劣化メカニズムをより深く理解し、堅牢な新しい材料を設計できるようにすることを目的として、プラズマに面する材料の基本的な挙動を解明しようとしている」と述べた。彼はジャーナルに掲載された研究の上級著者です科学レポートそれは、原子炉関連の条件下でのタングステンの分解を調査しました。

タングステンはすべての金属の中で最も高い融点を持っているため、プラズマに面する材料の候補です。しかし、その脆さのため、商用発電所はタングステン合金または複合材料で作られる可能性が高くなります。いずれにしても、高エネルギーの原爆がタングステンに顕微鏡的にどのような影響を与えるかを学ぶことは、技術者が核材料を改良するのに役立ちます。

「核融合発電所の内部は、エンジニアが材料設計を求められた中で最も過酷な環境です」とパリッシュ氏は語った。「ジェットエンジンの内部よりもひどいです。」

研究者は、このような過酷な動作条件に十分に適合する材料を作成するために、プラズマと機械コンポーネントの相互作用を研究しています。材料の信頼性は、現在および新しい原子力技術における重要な問題であり、発電所の建設および運営コストに大きな影響を与えます。したがって、長いライフサイクルにわたって耐久性を実現する材料を設計することが重要です。

今回の研究のために、カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者らは、通常の条件下での核融合炉を模倣して、低エネルギーでタングステンにヘリウムプラズマを照射した。一方、ORNLの研究者らは、多価イオン研究施設を利用して、異常に大量のエネルギーを蓄積する可能性のあるプラズマ破壊などの稀な状況をエミュレートする高エネルギーのヘリウムイオンでタングステンを攻撃した。

科学者らは、透過型電子顕微鏡、走査型透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子ナノ結晶学を用いて、低エネルギーおよび高エネルギー条件下でのタングステン結晶内の気泡の発生と、「巻きひげ」と呼ばれる構造の形状と成長を特徴づけた。彼らは、さまざまな条件下での成長メカニズムを推測するために、高度な電子結晶学技術である歳差電子回折のためにサンプルを AppFive という会社に送りました。

数年前から科学者たちは、タングステンがプラズマに反応して、10億分の1メートル、つまりナノメートルのスケールで結晶質の蔓、つまり小さな芝生のようなものを形成することを知っていました。今回の研究では、低エネルギーの攻撃で生成された巻きひげは、高エネルギーの攻撃で生成された蔓に比べて成長が遅く、より細かく滑らかで、より密な毛羽立ちの絨毯を形成していることが判明した。

金属では、原子はそれらの間に定義された空間を持った規則的な構造配置をとります。原子が移動すると、空のサイト、つまり「空孔」が残ります。ビリヤードの球のように、放射線が原子をその場所から叩き落として空隙を残した場合、その原子はどこかに行かなければなりません。それは結晶内の他の原子の間に詰め込まれ、格子間原子になります。

通常の核融合炉の運転では、ダイバータは非常に低エネルギーのヘリウム原子の大量の放出にさらされます。「ヘリウムイオンはビリヤードのボールが衝突するほど強く衝突していないため、泡やその他の欠陥を形成し始めるには格子に侵入する必要があります」とパリッシュ氏は説明した。

UT-ORNL知事議長であるブライアン・ワースのような理論家は、このシステムをモデル化しており、泡が形成されるときに格子から移動する材料が蔓の構成要素になると信じています。パリッシュ氏によると、ヘリウム原子は格子の周りをランダムにさまよっているという。彼らは他のヘリウムにぶつかり、力を合わせます。最終的に、クラスターはタングステン原子をそのサイトから弾き飛ばすのに十分な大きさになります。

「バブルが成長するたびに、さらに数個のタングステン原子がサイトから押し出され、どこかへ行かなければなりません。彼らは地上に引き寄せられるでしょう」とパリッシュ氏は語った。「それがこのナノファズが形成されるメカニズムであると私たちは信じています。」

計算科学者はスーパーコンピューターでシミュレーションを実行し、物質を原子レベル、つまりナノメートルサイズやナノ秒の時間スケールで研究します。エンジニアは、プラズマに長時間さらされた後に材料がどのように脆化し、亀裂が生じ、その他の挙動をセンチメートル長および時間スケールで調査します。「しかし、その間には科学はほとんどありませんでした」とパリッシュ氏は述べ、彼の実験は材料劣化の最初の兆候とナノテンドリル成長の初期段階を研究するためにこの知識のギャップを埋めた。

では、ファズは良いのか悪いのか？「毛羽立ちには有害な特性と有益な特性の両方がある可能性がありますが、それについて詳しく知るまでは、良い面を強調しながら悪い面を排除するような材料を設計することはできません」とパリッシュ氏は言う。プラスの面として、ファジータングステンはバルクタングステンを亀裂させるような熱負荷を受ける可能性があり、ファジータングステンの浸食はバルクタングステンよりも10分の1です。マイナス面としては、ナノテンドリルが壊れ、プラズマを冷却する可能性のある塵が形成される可能性があります。科学者の次の目標は、材料がどのように進化するのか、そしてナノテンドリルを表面から切り離すことがいかに簡単であるかを知ることです。

ORNL パートナーは、タングステンの挙動を明らかにする最近の走査型電子顕微鏡実験を発表しました。ある研究では、巻きひげの成長はどのような方向にも進んでいないことが示されました。別の調査では、ヘリウム原子束に対するプラズマに面したタングステンの応答が、ナノファズのみ（低束束時）からナノファズと気泡（高束束時）に進化したことが明らかになった。

今回の論文のタイトルは「ヘリウム暴露下で成長したタングステンナノテンドリルの形態」です。