I tokamaks, magnetiska inneslutningsanordningar undersöks för användning som kärnfusionsreaktorer, onormala händelser kan orsaka en överföring av energi med 10 miljoner gånger intensiteten av solstrålningen på jordens yta. Dessa händelser kan orsaka skador på strukturella komponenter, potentiellt hotar en tokamaks livslängd.

Penn State-forskare publicerade nyligen en artikel om simulering av dessa förhållanden i laboratoriet, utan användning av en tokamak, för att undersöka effekterna av en sådan extrem värmebelastning på volfram. De publicerade sina resultat i npj Materialnedbrytning den 2 okt.

"För att få fusionskraft att verkligen fungera istället för att bara arbeta teoretiskt, vi måste förstå hur vissa material kommer att överleva bättre än andra, sa Leigh Winfrey, docent vid Ken och Mary Alice Lindquist Institutionen för kärnteknik. "Denna forskning ger oss en bättre förståelse av problemet."

När en tokamak fungerar, högenergiplasma strömmar genom dess kammare i en munkliknande form, begränsat av magnetfält så att plasman – ofta vid temperaturer på flera hundra miljoner grader Fahrenheit – inte vidrör tokamakväggarna. Enheter som kallas avledare är i kontakt med delar av plasman för att ta bort avfallsprodukter. Avledarna måste kunna motstå värmeöverföringen från typiska tokamakoperationer såväl som ovanliga händelser som skapas av plasmainstabilitet, analogt med utbrottet av en solfloss på solens yta. Dessa anomalier kan leverera extrema värmebelastningar med varaktigheter från millisekunder till minuter.

Forskarna undersökte effekterna av dessa onormala händelser på volfram, en metall undersöks för användning i tokamak-fusionsreaktoravledningar. Volframs smältpunkt är den högsta av något rent grundämne, och den har en hög kapacitet för att överföra bort värme efter att den absorberats.

Den experimentella delen av studien ägde rum vid University of Florida där Winfrey tidigare tjänstgjorde som fakultetsmedlem. Volfram användes som innerfoder för isolerade rör med en innerdiameter på 4 mm, ungefär lika lång som ett sesamfrö, och en ytterdiameter på 6,9 mm. Elektriska laddningar pulserades genom röret med intervaller på en till två miljondelar av en sekund. Tillförseln av ström över en liten yta och kort varaktighet skapade plymer av bågformad plasma, som genererade flöden av energi som kallas värmeflöden över rörets yta som mätte upp till 46,3 gigawatt per kvadratmeter. För jämförelse, mer än 400 vindkraftverk krävs för att producera energi med en hastighet av en gigawatt.

Proverna testades vid fyra olika värmeflöden och analyserades med ett svepelektronmikroskop efter att de svalnat helt. Även om omfattningen av skadorna skilde sig åt mellan exponeringarna för värmeflöde, var och en skapade tre distinkta lager i volframtvärsnittet. Det första lagret bestod av helt smält volfram som hade stelnat igen, det andra hade smälts delvis och icke-skadat volfram utgjorde det tredje lagret.

Mikrofunktioner varierade mellan lagren. Det första lagret innehöll många funktioner, inklusive formationer i rosliknande former, små hålrum som bildas av skjuv- och termiska spänningar, kopparnanopartiklar som överförs under elektrisk pulsering och nytillväxt av mikroskopiska grupper av kristaller som kallas korn. Den andra, delvis smält skikt uppvisade ett antal tomrum som var inriktade mot värmekällan och pelarformade korn som var mindre inriktade mot värmekällan. I det tredje lagret, korn växte i storlek genom att fästa mindre korn, ungefär som en regndroppe som glider ner kommer ett fönster att kollidera med andra droppar för att bilda en större.

Eftersom var och en av dessa mikrofunktioner kan tillskrivas en specifik orsak, dessa detaljer kan ge forskare insikter i ytterligare forskning om att designa material med bättre överlevnadsförmåga i en fusionsmiljö, enligt Winfrey.

"Funktionen i dessa lager kan spåras tillbaka till en fysisk process, " sa Winfrey. "Och när du vet vilka fysiska mekanismer som orsakar dessa mikrofunktioner, du kan börja ändra hur materialet är tillverkat för att göra det resistent mot denna skada."