Een fusiereactor is in wezen een magnetische fles die dezelfde processen bevat als in de zon. Deuterium- en tritiumbrandstoffen versmelten tot een damp van heliumionen, neutronen en warmte. Als dit heet, geïoniseerd gas - plasma genaamd - brandwonden, die warmte wordt overgedragen aan water om stoom te maken om turbines te laten draaien die elektriciteit opwekken. Het oververhitte plasma vormt een constante bedreiging voor de reactorwand en de divertor (die afval uit de werkende reactor verwijdert om het plasma warm genoeg te houden om te verbranden).

"We proberen het fundamentele gedrag van naar plasma gerichte materialen te bepalen met als doel de afbraakmechanismen beter te begrijpen, zodat we robuuste, nieuwe materialen, " zei materiaalwetenschapper Chad Parish van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. Hij is senior auteur van een studie in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten dat de afbraak van wolfraam onderzocht onder reactorrelevante omstandigheden.

Omdat wolfraam het hoogste smeltpunt van alle metalen heeft, het is een kandidaat voor plasmagerichte materialen. Door zijn broosheid, echter, een commerciële elektriciteitscentrale zou waarschijnlijker zijn gemaakt van een wolfraamlegering of composiet. Achteloos, leren over hoe energetisch atoombombardement wolfraam microscopisch beïnvloedt, helpt ingenieurs om nucleair materiaal te verbeteren.

"In een fusiecentrale bevindt zich de meest meedogenloze omgevingsingenieurs die ooit zijn gevraagd om materialen te ontwerpen voor, ' zei Parish. 'Het is erger dan het interieur van een straalmotor.'

Onderzoekers bestuderen de interactie van plasma en machinecomponenten om materialen te maken die meer dan geschikt zijn voor zulke zware bedrijfsomstandigheden. Betrouwbaarheid van materialen is een belangrijk punt bij huidige en nieuwe nucleaire technologieën die een aanzienlijke impact hebben op de bouw- en exploitatiekosten van energiecentrales. Het is dus van cruciaal belang om materialen te ontwerpen voor winterhardheid gedurende een lange levenscyclus.

Voor het huidige onderzoek onderzoekers van de Universiteit van Californië, San Diego, gebombardeerd wolfraam met heliumplasma bij lage energie die een fusiereactor nabootst onder normale omstandigheden. In de tussentijd, onderzoekers van ORNL gebruikten de Multicharged Ion Research Facility om wolfraam aan te vallen met hoogenergetische heliumionen die zeldzame omstandigheden nabootsen, zoals een plasmaverstoring die een abnormaal grote hoeveelheid energie kan afzetten.

Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, aftasten transmissie elektronenmicroscopie, scanning elektronenmicroscopie en elektronen nanokristallografie, de wetenschappers karakteriseerden de evolutie van bellen in het wolfraamkristal en de vorm en de groei van structuren die "ranken" worden genoemd onder lage en hoge energieomstandigheden. Ze stuurden de monsters naar een bedrijf genaamd AppFive voor precessie-elektronendiffractie, een geavanceerde elektronenkristallografietechniek, om groeimechanismen af ​​te leiden onder verschillende omstandigheden.

Sinds een paar jaar weten wetenschappers dat wolfraam reageert op plasma door kristallijne ranken te vormen op de schaal van miljardsten van een meter, of nanometers - een klein soort gazon. De huidige studie ontdekte dat ranken geproduceerd door een lager energiebombardement langzamer groeiden, fijner en gladder - en vormt een dichter tapijt van fuzz - dan die gecreëerd door een aanval met hogere energie.

bij metalen, atomen nemen een ordelijke structurele opstelling aan met gedefinieerde ruimten ertussen. Als een atoom wordt verplaatst, een lege plek, of "vacature, " blijft. Als straling, als een biljartbal, slaat een atoom van zijn site en laat een vacature achter, dat atoom moet ergens heen. Het propt zich tussen andere atomen in het kristal, interstitial worden.

De normale werking van een fusiereactor stelt de divertor bloot aan een hoge flux van heliumatomen met zeer lage energie. "Een heliumion slaat niet hard genoeg om de biljartbalbotsing te veroorzaken, dus het moet in het rooster sluipen om luchtbellen of andere defecten te vormen, ’ legde Parochie uit.

Theoretici zoals Brian Wirth, een UT-ORNL Gouverneursvoorzitter, hebben het systeem gemodelleerd en geloven dat het materiaal dat uit het rooster wordt verplaatst wanneer zich bellen vormen, de bouwstenen van ranken worden. Heliumatomen dwalen willekeurig door het rooster, zei de parochie. Ze komen andere heliums tegen en bundelen hun krachten. Uiteindelijk is de cluster groot genoeg om een ​​wolfraamatoom van zijn plaats te slaan.

"Elke keer dat de bel groeit, duwt hij nog een paar wolfraamatomen van hun sites, en ze moeten ergens heen. Ze zullen naar de oppervlakte worden aangetrokken, ' zei de parochie. 'Dat, we geloven, is het mechanisme waarmee deze nanofuzz ​​wordt gevormd."

Computerwetenschappers voeren simulaties uit op supercomputers om materialen op atomair niveau te bestuderen, of nanometergrootte en nanoseconde tijdschalen. Ingenieurs onderzoeken hoe materialen bros worden, scheur, en zich anders gedragen na langdurige blootstelling aan plasma, op centimeter lengte en uur tijdschalen. "Maar er zat weinig wetenschap tussen, " zei Parochie, wiens experiment deze kennislacune opvulde om de eerste tekenen van materiële degradatie en de vroege stadia van nanodrilgroei te bestuderen.

Dus is fuzz goed of slecht? "Fuzz heeft waarschijnlijk zowel nadelige als gunstige eigenschappen, maar totdat we er meer over weten, we kunnen geen materialen ontwikkelen om het slechte te elimineren en het goede te accentueren, " zei Parish. Aan de positieve kant, fuzzy wolfraam kan warmtebelastingen opnemen die bulkwolfraam zouden doen barsten, en erosie is 10 keer minder in fuzzy dan bulkwolfraam. Aan de minkant, nanodrils kunnen afbreken, vorming van een stof dat plasma kan afkoelen. Het volgende doel van de wetenschappers is om te leren hoe het materiaal evolueert en hoe gemakkelijk het is om de nanodrils van het oppervlak te breken.

De ORNL-partners publiceerden recente scanning-elektronenmicroscopie-experimenten die het gedrag van wolfraam belichten. Eén studie toonde aan dat de groei van de rank niet in een voorkeursrichting verliep. Een ander onderzoek onthulde dat de reactie van naar plasma gericht wolfraam op heliumatoomflux evolueerde van alleen nanofuzz ​​(bij lage flux) naar nanofuzz ​​plus bellen (bij hoge flux).

De titel van het huidige artikel is "Morfologieën van wolfraamnanotendrils gegroeid onder blootstelling aan helium."