Undersøgelse undersøger wolfram i ekstreme miljøer for at forbedre fusionsmaterialer

En fusionsreaktor er i det væsentlige en magnetflaske, der indeholder de samme processer, som forekommer i solen. Deuterium- og tritiumbrændstoffer smelter sammen og danner en damp af heliumioner, neutroner og varme. Da det er varmt, ioniseret gas - kaldet plasma - forbrænder, at varme overføres til vand for at få damp til at dreje møller, der genererer elektricitet. Det overophedede plasma udgør en konstant trussel mod reaktorvæggen og aflederen (som fjerner affald fra driftsreaktoren for at holde plasmaet varmt nok til at brænde).

"Vi forsøger at bestemme den grundlæggende adfærd for plasma-modstående materialer med det formål at bedre forstå nedbrydningsmekanismer, så vi kan konstruere robuste, nye materialer, "sagde materialeforsker Chad Parish fra Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Han er seniorforfatter af en undersøgelse i tidsskriftet Videnskabelige rapporter der undersøgte nedbrydning af wolfram under reaktorrelevante forhold.

Fordi wolfram har det højeste smeltepunkt for alle metaller, det er en kandidat til plasma-modstående materialer. På grund af sin sprødhed, imidlertid, et kommercielt kraftværk ville mere sandsynligt være fremstillet af en wolframlegering eller komposit. Uanset, lære om, hvordan energisk atombombardement påvirker wolfram mikroskopisk hjælper ingeniører med at forbedre nukleare materialer.

"Inde i et fusionskraftværk er de mest brutale miljø ingeniører nogensinde blevet bedt om at designe materialer til, "Sogn sagde." Det er værre end det indre af en jetmotor. "

Forskere studerer samspillet mellem plasma og maskinkomponenter for at lave materialer, der er mere end en match til så hårde driftsbetingelser. Materiales pålidelighed er et centralt problem med nuværende og nye atomteknologier, der har en betydelig indvirkning på bygge- og driftsomkostninger ved kraftværker. Så det er afgørende at konstruere materialer til hårdførhed over lange levetider.

For den aktuelle undersøgelse, forskere ved University of California, San Diego, bombarderet wolfram med heliumplasma ved lav energi, der efterligner en fusionsreaktor under normale forhold. I mellemtiden, forskere ved ORNL brugte Multicharged Ion Research Facility til at angribe wolfram med højenergi-heliumioner, der efterligner sjældne tilstande, såsom en plasmaforstyrrelse, der kan deponere en unormalt stor mængde energi.

Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, scanning transmissionselektronmikroskopi, scannende elektronmikroskopi og elektron nanokrystallografi, forskerne karakteriserede udviklingen af ​​bobler i wolframkrystallen og formen og væksten af ​​strukturer kaldet "tendrils" under lav- og højenergibetingelser. De sendte prøverne til et firma kaldet AppFive for elektronisk diffraktion af presessioner, en avanceret elektron krystallografi teknik, at udlede vækstmekanismer under forskellige betingelser.

I et par år har videnskabsfolk vidst, at wolfram reagerer på plasma ved at danne krystallinske slyngtråde på en milliardtedel af en meter, eller nanometer - en slags lille græsplæne. Den nuværende undersøgelse opdagede, at tendrils produceret ved lavere energi-bombardement voksede langsommere, finere og glattere-danner et tættere tæppe af fuzz-end dem, der er skabt af overfald med højere energi.

I metaller, atomer antager et ordnet strukturelt arrangement med definerede mellemrum mellem dem. Hvis et atom forskydes, et tomt sted, eller "ledig stilling, "forbliver. Hvis stråling, som en billardbold, slår et atom af sit sted og efterlader et ledigt sted, det atom skal et sted hen. Det trænger sig sammen mellem andre atomer i krystallen, ved at blive en interstitial.

Normal fusionsreaktor-drift udsætter divertoren for en høj strømning af meget lavenergi-heliumatomer. "En heliumion rammer ikke hårdt nok til at lave billardkollisionen, så det skal snige sig ind i gitteret for at begynde at danne bobler eller andre defekter, "Sogn forklaret.

Teoretikere som Brian Wirth, en UT-ORNL guvernørformand, har modelleret systemet og tror, ​​at det materiale, der bliver fortrængt fra gitteret, når der dannes bobler, bliver byggestenene til slynger. Heliumatomer vandrer tilfældigt rundt om gitteret, Sogn sagde. De støder på andre heliums og går sammen. Til sidst er klyngen stor nok til at slå et wolframatom fra sit sted.

"Hver gang boblen vokser, skubber den et par wolframatomer mere fra deres steder, og de skal et sted hen. De vil blive tiltrukket af overfladen, "Sogn sagde." Det, vi tror, er den mekanisme, hvormed dette nanofuzz ​​dannes. "

Beregningsforskere kører simuleringer på supercomputere for at studere materialer på deres atomniveau, eller nanometerstørrelse og nanosekundstidsskalaer. Ingeniører undersøger, hvordan materialer sprød, sprække, og ellers opføre sig efter lang eksponering for plasma, på centimeters længde og timetidsskalaer. "Men der var lidt videnskab imellem, "sagde Sogn, hvis eksperiment udfyldte dette vidensgab for at studere de første tegn på materialeforringelse og de tidlige stadier af nanotendrilvækst.

Så er fuzz godt eller dårligt? "Fuzz vil sandsynligvis have både skadelige og gavnlige egenskaber, men indtil vi ved mere om det, vi kan ikke konstruere materialer til at forsøge at eliminere det dårlige, mens vi fremhæver det gode, "Sogn sagde. På plussiden, uklar wolfram kan tage varmebelastninger, der ville revne bulk wolfram, og erosion er 10 gange mindre i fuzzy end bulk wolfram. På minussiden, nanotendrils kan bryde af, danner et støv, der kan afkøle plasma. Forskernes næste mål er at lære, hvordan materialet udvikler sig, og hvor let det er at bryde nanotendrils væk fra overfladen.

ORNL -partnerne offentliggjorde nylige scanningselektronmikroskopiforsøg, der belyser wolframadfærd. En undersøgelse viste, at tendril -vækst ikke forløb i nogen foretrukken retning. En anden undersøgelse afslørede, at plasma-vendt wolframs reaktion på heliumatomstrøm udviklede sig fra kun nanofuzz ​​(ved lav flux) til nanofuzz ​​plus bobler (ved høj flux).

Titlen på det nuværende papir er "Morfologier af wolfram nanotendrils dyrket under heliumeksponering."