In het hart van de ITER-fusiereactor zal intense straling meedogenloos de metalen wanden beschadigen, waardoor hun structurele integriteit mogelijk in gevaar komt. Om catastrofale mislukkingen te voorkomen, bestuderen wetenschappers nauwgezet hoe straling de eigenschappen van metalen op atomair niveau verandert.

Met behulp van geavanceerde technieken simuleren onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, de schadelijke effecten van straling door individuele atomen uit een metaalrooster te slaan. Door de resulterende defecten te onderzoeken, willen ze een uitgebreid inzicht krijgen in de microscopische processen die bijdragen aan door straling geïnduceerde materiaaldegradatie.

"Door de gedetailleerde mechanismen van stralingsschade op atomaire schaal te begrijpen, kunnen we strategieën ontwikkelen om de effecten ervan te verzachten", legt Andrew Minor uit, hoogleraar nucleaire technologie aan UC Berkeley en hoofdonderzoeker van het project.

In hun experimenten gebruikt het team een ​​gefocusseerde straal geladen deeltjes, zoals heliumionen, om een ​​dunne metaalfolie te bombarderen. Elk ion botst met atomen in het metaalrooster, waardoor energie wordt overgedragen en deze mogelijk uit hun positie worden geslagen.

Om de schade in beeld te brengen, gebruiken de onderzoekers een reeks geavanceerde microscopietechnieken, waaronder transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM). Deze technieken bieden beelden met een hoge resolutie van de defecten, waardoor de locatie, grootte en vorm van de verplaatste atomen zichtbaar worden.

Door de intensiteit en energie van de ionenbundel zorgvuldig te controleren, kan het team systematisch de effecten van verschillende stralingsdoses en soorten ionen bestuderen. Hierdoor kunnen ze de belangrijkste factoren identificeren die de vorming en evolutie van defecten in het metaal beïnvloeden.

"We zijn vooral geïnteresseerd in het begrijpen hoe defecten met elkaar omgaan en hoe ze gezamenlijk de algemene eigenschappen van het materiaal beïnvloeden", zegt Minor.

De bevindingen van het team hebben implicaties voor het ontwerp en de ontwikkeling van materialen die bestand zijn tegen de zware stralingsomgeving van fusiereactoren. Door de meest stralingsbestendige materialen te identificeren en de onderliggende mechanismen van stralingsschade te begrijpen, kunnen wetenschappers de veiligheid en efficiëntie van deze veelbelovende energiebronnen verbeteren.

Dit onderzoek wordt ondersteund door het Office of Fusion Energy Sciences van het Amerikaanse ministerie van Energie en wordt uitgevoerd als onderdeel van het Berkeley Fusion Science Center.