I jakten på ren och oändlig energi är kärnfusion en lovande gräns. Men i fusionsreaktorer, där forskare försöker skapa energi genom att smälta samman atomer, efterlikna solens kraftgenereringsprocess, kan saker och ting bli extremt varma. För att övervinna detta har forskare dykt djupt in i vetenskapen om värmehantering, med fokus på en speciell metall som kallas volfram.
Ny forskning, ledd av forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, belyser volframs potential att avsevärt förbättra fusionsreaktorteknologin baserat på nya rön om dess förmåga att leda värme. Detta framsteg skulle kunna påskynda utvecklingen av mer effektiva och motståndskraftiga fusionsreaktormaterial. Deras resultat publicerades idag i Science Advances .
"Det som upphetsar oss är potentialen hos våra fynd att påverka utformningen av konstgjorda material för fusion och andra energitillämpningar", säger samarbetspartner Siegfried Glenzer, chef för High Energy Density Division på SLAC. "Vårt arbete visar förmågan att undersöka material i atomär skala, vilket ger värdefull data för vidare forskning och utveckling."
Volfram är inte vilken metall som helst. Den är stark, klarar otroligt höga temperaturer och blir inte skev eller försvagad av värmeböljor lika mycket som andra metaller. Detta gör den särskilt effektiv för att leda bort värme snabbt och effektivt, vilket är precis vad som behövs i de superheta förhållandena i en fusionsreaktor. Snabb värmebelastning av volfram och dess legeringar finns också i många flygtillämpningar, såsom raketmotormunstycken, värmesköldar och turbinbladsbeläggningar.
Att förstå hur volfram fungerar med värme ger ledtrådar om hur man gör nya material för fusionsreaktorer som är ännu bättre på att hålla sval under tryck. I denna nya forskning utvecklade forskarna ett nytt sätt att noggrant undersöka hur volfram hanterar värme på atomnivå.
Forskargruppen satte sig för att utforska fenomenet fononspridning - en process där gittervibrationer i ett fast material interagerar och spelar en avgörande roll för materialets förmåga att leda värme. Traditionellt underskattades fononernas bidrag till termisk transport i metaller, med mer betoning på elektronernas roll. Genom en kombination av modellering och toppmoderna experimentella tekniker kastade forskargruppen ljus över fononernas beteende i volfram.
Vid SLAC:s höghastighets-"elektronkamera" MeV-UED undersökte forskarna materialet med en teknik som kallas ultrasnabb elektrondiffusspridning (UEDS), som gjorde det möjligt för teamet att observera och mäta interaktionerna mellan elektroner och fononer med oöverträffad precision. Denna metod innebär att man skjuter en laser för att excitera elektronerna i volfram och sedan observera hur dessa exciterade elektroner interagerar med fononer. UEDS-tekniken fångar spridningen av elektroner från fononer, vilket gör att forskare kan observera dessa interaktioner i realtid med otrolig precision.
UEDS gjorde det möjligt för forskarna att skilja mellan bidragen från elektron-fonon och fonon-fonon-spridning till termisk transport. Denna differentiering är nyckeln till att förstå de komplexa funktionerna för värmehantering i material som utsätts för de svåra förhållandena i en fusionsreaktor.
"Utmaningen ligger i att särskilja bidragen från fononer från elektroner i termisk transport", säger SLAC-forskaren Mianzhen Mo, som ledde forskningen. "Vår uppsats introducerar en toppmodern teknik som löser dessa bidrag och avslöjar hur energi fördelas inom materialet. Denna teknik gjorde det möjligt för oss att exakt mäta interaktionerna mellan elektroner och fononer i volfram, vilket gav oss insikter som tidigare var utom räckhåll."
Studiens resultat visade att i volfram är interaktionen mellan fononerna i sig mycket svagare än förväntat. Denna svaga fonon-fonon-interaktion gör att volfram kan leda värme mer effektivt än man tidigare trott.
"Våra resultat är särskilt relevanta för att designa nya, mer robusta material för fusionsreaktorer", säger samarbetspartner Alfredo Correa, en forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). "Sådana exakta experiment ger utmärkt validering för den nya simuleringsteknik som vi använde i detta arbete för att beskriva värmetransport och de mikroskopiska rörelserna av atomer och elektroner, vilket gör att vi kan förutsäga hur material kommer att bete sig under extrema miljöer."
Efter uppföljning av denna forskning planerar teamet att undersöka effekten av föroreningar, såsom helium, på volframs förmåga att hantera värme. Heliumackumulering, en produkt av fusionsneutroninducerad transmutation i material, kan påverka materialets prestanda och livslängd.
"Nästa fas av vår forskning kommer att undersöka hur helium och andra föroreningar påverkar volframs förmåga att leda värme," sa Mo. "Detta är avgörande för att förbättra livslängden och effektiviteten hos fusionsreaktormaterial."
Att förstå dessa interaktioner är avgörande för att validera grundläggande modellering och utveckla material som kan motstå de rigorösa kraven från en fusionsreaktor över tid. Detta kan leda till ännu bättre material för inte bara fusionsreaktorer utan även inom andra områden där hantering av värme är avgörande, från flyg- till bilindustrin till elektronik.
"Denna forskning handlar inte bara om att förbättra material för fusionsreaktorer, det handlar om att utnyttja vår förståelse av fonondynamik för att revolutionera hur vi hanterar värme i ett brett spektrum av applikationer," sa Glenzer. "Vi förbättrar inte bara vår förståelse för hur material beter sig under extrema förhållanden, vi lägger grunden för en framtid där ren, hållbar fusionsenergi kan bli verklighet."
Mer information: Mianzhen Mo et al, Direkt observation av stark momentumberoende elektron-fononkoppling i en metall, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk9051
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
