En fusionsreaktor är i huvudsak en magnetisk flaska som innehåller samma processer som sker i solen. Deuterium- och tritiumbränslen smälter till en ånga av heliumjoner, neutroner och värme. Som detta hett, joniserad gas - kallad plasma - brinner, att värme överförs till vatten för att göra ånga för att vända turbiner som genererar el. Den överhettade plasman utgör ett konstant hot mot reaktorväggen och avledaren (som tar bort avfall från driftreaktorn för att hålla plasma tillräckligt varmt för att brinna).

"Vi försöker bestämma det grundläggande beteendet hos plasmavända material med målet att bättre förstå nedbrytningsmekanismer så att vi kan konstruera robusta, nya material, "sade materialvetaren Chad Parish från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Han är seniorförfattare till en studie i tidskriften Vetenskapliga rapporter som undersökte nedbrytning av volfram under reaktorrelevanta förhållanden.

Eftersom volfram har den högsta smältpunkten för alla metaller, det är en kandidat för plasma-vända material. På grund av sin sprödhet, dock, ett kommersiellt kraftverk skulle troligen vara tillverkat av en volframlegering eller komposit. Oavsett, Att lära sig hur energiskt atombombardemang påverkar volfram mikroskopiskt hjälper ingenjörer att förbättra kärnmaterial.

"Inuti ett fusionskraftverk finns de mest brutala miljöingenjörer som någonsin har blivit ombedda att designa material för, "Parish sa." Det är värre än inuti en jetmotor. "

Forskare studerar växelverkan mellan plasma och maskinkomponenter för att göra material som är mer än en match för så hårda driftförhållanden. Materialtillförlitlighet är en nyckelfråga med nuvarande och ny kärnteknik som har en betydande inverkan på konstruktions- och driftskostnader för kraftverk. Så det är viktigt att konstruera material för att de ska vara hårda under långa livscykler.

För den aktuella studien, forskare vid University of California, San Diego, bombarderade volfram med heliumplasma vid låg energi som efterliknar en fusionsreaktor under normala förhållanden. Under tiden, forskare vid ORNL använde Multicharged Ion Research Facility för att attackera volfram med högenergi-heliumjoner som emulerar sällsynta förhållanden, till exempel en plasmastörning som kan avsätta onormalt mycket energi.

Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi, sveptransmissionselektronmikroskopi, svepelektronmikroskopi och elektronnanokristallografi, forskarna kännetecknade utvecklingen av bubblor i volframkristallen och formen och tillväxten av strukturer som kallas "rankor" under låg- och högenergiförhållanden. De skickade proverna till ett företag som heter AppFive för elektrondiffraktion av presession, en avancerad elektronkristallografiteknik, att härleda tillväxtmekanismer under olika förhållanden.

Under några år har forskare vetat att volfram reagerar på plasma genom att bilda kristallina rankor i en skala av miljarddels meter, eller nanometer — en liten gräsmatta av slag. Den aktuella studien upptäckte att rankor producerade av lågenergibombning var långsammare, finare och mjukare-bildar en tätare matta av fuzz-än de som skapas av överhögenergi.

I metaller, atomer antar ett ordnat strukturellt arrangemang med definierade utrymmen mellan dem. Om en atom förskjuts, en tom webbplats, eller "vakans, "kvarstår. Om strålning, som en biljardboll, slår av en atom från sin plats och lämnar en ledig plats, den atomen måste gå någonstans. Det tränger sig mellan andra atomer i kristallen, bli en mellansidesannons.

Normal drift av fusionsreaktorn utsätter avledaren för ett högt flöde av heliumatomer med mycket låg energi. "En heliumjon slår inte tillräckligt hårt för att göra biljardkollisionen, så det måste smyga in i gallret för att börja bilda bubblor eller andra defekter, "Förklarar församlingen.

Teoretiker som Brian Wirth, en UT-ORNL guvernörsstol, har modellerat systemet och tror att materialet som förflyttas från gitteret när bubblor bildas blir byggstenarna i sargen. Heliumatomer vandrar slumpmässigt runt gallret, Parish sa. De stöter på andra helium och går samman. Så småningom är klustret tillräckligt stort för att slå en volframatom från sin plats.

"Varje gång bubblan växer trycker den bort ett par volframatomer till från deras platser, och de måste gå någonstans. De kommer att attraheras till ytan, "Församling sa." Det, vi tror, är mekanismen genom vilken denna nanofuzz ​​bildas."

Beräkningsforskare kör simuleringar på superdatorer för att studera material på atomnivå, eller nanometerstorlek och nanosekundtidskalor. Ingenjörer utforskar hur material spröts, spricka, och annars bete sig efter lång exponering för plasma, på centimeters längd och timtidsskalor. "Men det fanns lite vetenskap däremellan, "sade församlingen, vars experiment fyllde denna kunskapslucka för att studera de första tecknen på materialnedbrytning och de tidiga stadierna av nanotendriltillväxt.

Så är fuzz bra eller dåligt? "Fuzz kommer sannolikt att ha både skadliga och fördelaktiga egenskaper, men tills vi vet mer om det, vi kan inte konstruera material för att försöka eliminera det dåliga samtidigt som vi framhäver det goda, Sa Parish. På plussidan, fuzzy volfram kan ta värmebelastningar som skulle knäcka volfram i bulk, och erosion är 10 gånger mindre i oklar än volfram i bulk. På minussidan, nanotendrils kan bryta av, bildar ett damm som kan kyla plasma. Forskarnas nästa mål är att lära sig hur materialet utvecklas och hur lätt det är att bryta nanotendrilerna bort från ytan.

ORNL -partnerna publicerade senaste skanningelektronmikroskopi -experiment som belyser volframbeteende. En studie visade att tendril -tillväxten inte fortskred i någon föredragen riktning. En annan undersökning avslöjade att svaret av plasmavägt volfram på heliumatomflöde utvecklades från endast nanofuzz ​​(vid lågt flöde) till nanofuzz ​​plus bubblor (vid högt flöde).

Titeln på den aktuella artikeln är "Morphologies of volfram nanotendrills grown under helium exponering."