In tokamaks, magnetische opsluitingsapparaten die worden onderzocht voor gebruik als kernfusiereactoren, abnormale gebeurtenissen kunnen een overdracht van energie veroorzaken met 10 miljoen keer de intensiteit van de zonnestraling op het aardoppervlak. Deze gebeurtenissen kunnen schade aan structurele componenten veroorzaken, die mogelijk de levensduur van een tokamak bedreigt.

Onderzoekers van Penn State publiceerden onlangs een paper over het simuleren van deze omstandigheden in het laboratorium, zonder gebruik van een tokamak, om de effecten van een dergelijke extreme hittebelasting op wolfraam te onderzoeken. Ze publiceerden hun bevindingen in npj Materialen Degradatie op 2 okt.

"Om fusiekracht echt te laten werken in plaats van alleen theoretisch te werken, we moeten begrijpen hoe sommige materialen beter zullen overleven dan andere, " zei Leigh Winfrey, universitair hoofddocent bij de Ken en Mary Alice Lindquist-afdeling van Nuclear Engineering. "Dit onderzoek geeft ons een beter begrip van het probleem."

Wanneer een tokamak werkt, hoogenergetisch plasma stroomt door zijn kamer in een donutachtige vorm, begrensd door magnetische velden, zodat het plasma - vaak bij temperaturen van enkele honderden miljoenen graden Fahrenheit - de tokamak-wanden niet raakt. Apparaten die divertors worden genoemd, staan ​​in contact met delen van het plasma om afvalproducten te verwijderen. De divertors moeten bestand zijn tegen de warmteoverdracht van typische tokamak-operaties, evenals ongebruikelijke gebeurtenissen die worden veroorzaakt door plasma-instabiliteit, analoog aan de uitbarsting van een zonnevlam op het oppervlak van de zon. Deze afwijkingen kunnen extreme hittebelastingen opleveren met een duur van milliseconden tot minuten.

De onderzoekers onderzochten de effecten van deze afwijkende gebeurtenissen op wolfraam, een metaal dat wordt onderzocht voor gebruik in tokamak-fusiereactorafleiders. Het smeltpunt van wolfraam is het hoogste van alle pure elementen, en het heeft een hoog vermogen om warmte af te voeren nadat het is geabsorbeerd.

Het experimentele gedeelte van het onderzoek vond plaats aan de Universiteit van Florida, waar Winfrey eerder als faculteitslid werkte. Wolfraam werd gebruikt als binnenbekleding voor geïsoleerde buizen met een binnendiameter van 4 mm, ongeveer de lengte van een sesamzaadje, en een buitendiameter van 6,9 mm. Elektrische ladingen werden met tussenpozen van één tot twee miljoenste van een seconde door de buis gepulseerd. De toevoer van stroom over een klein gebied en van korte duur creëerde pluimen van boogvormig plasma, die energiestromen genereerde, warmtestromen genaamd, over het oppervlak van de buis, die tot 46,3 gigawatt per vierkante meter bedroegen. Ter vergelijking, er zijn meer dan 400 windturbines nodig om energie te produceren met een snelheid van één gigawatt.

De monsters werden getest bij vier verschillende warmtefluxen en na volledige afkoeling geanalyseerd met een scanning elektronenmicroscoop. Hoewel de omvang van de schade verschilde tussen blootstellingen aan warmtefluxen, elk creëerde drie verschillende lagen in de wolfraamdoorsnede. De eerste laag bestond uit volledig gesmolten wolfraam dat opnieuw was gestold, de tweede was gedeeltelijk gesmolten en onbeschadigd wolfraam vormde de derde laag.

Microfuncties varieerden tussen lagen. De eerste laag bevatte tal van functies, waaronder formaties in roosachtige vormen, kleine holtes die ontstaan ​​door afschuif- en thermische spanningen, koperen nanodeeltjes die worden overgedragen tijdens het elektrisch pulseren en nieuwe groei van microscopisch kleine groepen kristallen die korrels worden genoemd. De seconde, gedeeltelijk gesmolten laag vertoonde een aantal holtes die waren uitgelijnd met de warmtebron en kolomvormige korrels die minder waren uitgelijnd met de warmtebron. In de derde laag, korrels groeiden in grootte door kleinere korrels te bevestigen, net zoals een regendruppel die langs een raam naar beneden glijdt, botst met andere druppels om een ​​grotere te vormen.

Omdat elk van deze microfuncties kan worden toegeschreven aan een specifieke oorzaak, deze details kunnen onderzoekers inzicht geven in verder onderzoek naar het ontwerpen van materialen met een betere overlevingskans in een fusieomgeving, volgens Winfrey.

"De kenmerken in deze lagen zijn terug te voeren op een fysiek proces, "Zei Winfrey. "En als je weet welke fysieke mechanismen deze microfuncties veroorzaken, je kunt beginnen met het veranderen van de manier waarop het materiaal is gemaakt om het bestand te maken tegen deze schade."