Wetenschap
Nieuw onderzoek naar wolfraam ontsluit potentieel voor het verbeteren van fusiematerialen
In het streven naar schone en eindeloze energie is kernfusie een veelbelovende grens. Maar in fusiereactoren, waar wetenschappers energie proberen te maken door atomen samen te smelten, waarbij het energieopwekkingsproces van de zon wordt nagebootst, kan het extreem heet worden. Om dit te ondervangen hebben onderzoekers diep in de wetenschap van warmtebeheer gedoken, waarbij ze zich hebben geconcentreerd op een speciaal metaal dat wolfraam wordt genoemd.
Nieuw onderzoek, geleid door wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, benadrukt het potentieel van wolfraam om de fusiereactortechnologie aanzienlijk te verbeteren op basis van nieuwe bevindingen over het vermogen ervan om warmte te geleiden. Deze vooruitgang zou de ontwikkeling van efficiëntere en veerkrachtigere fusiereactormaterialen kunnen versnellen. Hun resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Science Advances .
"Wat ons opwindt is het potentieel van onze bevindingen om het ontwerp van kunstmatige materialen voor fusie- en andere energietoepassingen te beïnvloeden", zegt medewerker Siegfried Glenzer, directeur van de High Energy Density Division bij SLAC. "Ons werk demonstreert het vermogen om materialen op atomaire schaal te onderzoeken, wat waardevolle gegevens oplevert voor verder onderzoek en ontwikkeling."
Het hoofd koel houden onder druk
Wolfraam is niet zomaar een metaal. Het is sterk, kan ongelooflijk hoge temperaturen aan en wordt niet zo kromgetrokken of verzwakt door hittegolven als andere metalen. Dit maakt het bijzonder effectief in het snel en efficiënt afvoeren van warmte, wat precies is wat nodig is in de superhete omstandigheden van een fusiereactor. Snelle warmtebelasting van wolfraam en zijn legeringen wordt ook aangetroffen in veel lucht- en ruimtevaarttoepassingen, zoals straalmotorsproeiers, hitteschilden en coatings voor turbinebladen.
Begrijpen hoe wolfraam met warmte werkt, biedt aanwijzingen voor het maken van nieuwe materialen voor fusiereactoren die nog beter koel kunnen blijven onder druk. In dit nieuwe onderzoek ontwikkelden de wetenschappers een nieuwe manier om nauwkeurig te onderzoeken hoe wolfraam warmte op atomair niveau beheert.
Het onderzoeksteam wilde het fenomeen fononverstrooiing onderzoeken:een proces waarbij roostertrillingen in een vast materiaal op elkaar inwerken en een cruciale rol spelen in het vermogen van het materiaal om warmte te geleiden. Traditioneel werd de bijdrage van fononen aan het thermisch transport in metalen onderschat, waarbij meer nadruk werd gelegd op de rol van elektronen. Door een combinatie van modellering en geavanceerde experimentele technieken werpt het onderzoeksteam licht op het gedrag van fononen in wolfraam.
Bijdragen ontwarren
Bij SLAC's snelle "elektronencamera" MeV-UED onderzochten de onderzoekers het materiaal met een techniek genaamd ultrafast elektronen diffuse verstrooiing (UEDS), waardoor het team de interacties tussen elektronen en fononen met ongekende precisie kon observeren en meten. Deze methode omvat het schieten met een laser om de elektronen in wolfraam te exciteren en vervolgens te observeren hoe deze opgewonden elektronen interageren met fononen. De UEDS-techniek vangt de verstrooiing van elektronen van fononen op, waardoor onderzoekers deze interacties in realtime met ongelooflijke precisie kunnen observeren.
Dankzij UEDS konden de onderzoekers onderscheid maken tussen de bijdragen van elektron-fonon en fonon-fononverstrooiing aan thermisch transport. Dit onderscheid is essentieel voor het begrijpen van de complexe werking van warmtebeheer in materialen die worden blootgesteld aan de zware omstandigheden van een fusiereactor.
"De uitdaging ligt in het onderscheiden van de bijdragen van fononen en elektronen in thermisch transport", zegt SLAC-wetenschapper Mianzhen Mo, die het onderzoek leidde. "Ons artikel introduceert een geavanceerde techniek die deze bijdragen oplost en onthult hoe energie binnen het materiaal wordt verdeeld. Deze techniek stelde ons in staat de interacties tussen elektronen en fononen in wolfraam nauwkeurig te meten, wat ons inzichten opleverde die eerder beschikbaar waren buiten bereik."
Uit de resultaten van het onderzoek bleek dat in wolfraam de interactie tussen de fononen zelf veel zwakker is dan verwacht. Deze zwakke fonon-fonon-interactie betekent dat wolfraam warmte efficiënter kan geleiden dan eerder werd gedacht.
"Onze bevindingen zijn vooral relevant voor het ontwerpen van nieuwe, robuustere materialen voor fusiereactoren", zegt medewerker Alfredo Correa, wetenschapper aan het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). "Dergelijke precieze experimenten bieden een uitstekende validatie voor de nieuwe simulatietechniek die we in dit werk hebben gebruikt om warmtetransport en de microscopische bewegingen van atomen en elektronen te beschrijven, waardoor we kunnen voorspellen hoe materialen zich zullen gedragen onder extreme omgevingen."
Als je niet tegen de hitte kunt…
Als vervolg op dit onderzoek is het team van plan de impact van onzuiverheden, zoals helium, te onderzoeken op het vermogen van wolfraam om met warmte om te gaan. Heliumaccumulatie, een product van door fusieneutronen geïnduceerde transmutatie in materialen, kan de prestaties en levensduur van het materiaal beïnvloeden.
"De volgende fase van ons onderzoek zal onderzoeken hoe helium en andere onzuiverheden het vermogen van wolfraam om warmte te geleiden beïnvloeden," zei Mo. "Dit is cruciaal voor het verbeteren van de levensduur en efficiëntie van materialen voor fusiereactoren."
Het begrijpen van deze interacties is van cruciaal belang voor het valideren van fundamentele modellering en het ontwikkelen van materialen die in de loop van de tijd bestand zijn tegen de strenge eisen van een fusiereactor. Dit zou kunnen leiden tot nog betere materialen, niet alleen voor fusiereactoren, maar ook op andere gebieden waar het beheer van warmte van cruciaal belang is, van de lucht- en ruimtevaart tot de auto-industrie en de elektronica.
"Dit onderzoek gaat niet alleen over het verbeteren van materialen voor fusiereactoren; het gaat over het benutten van ons begrip van de fonondynamiek om een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we met warmte omgaan in een breed scala aan toepassingen", aldus Glenzer. "We vergroten niet alleen ons begrip van hoe materialen zich onder extreme omstandigheden gedragen; we leggen de basis voor een toekomst waarin schone, duurzame fusie-energie werkelijkheid kan worden."