Wolfram udvikler lag under ekstreme varmeforhold i fusionsreaktorer

I tokamaks, magnetiske indeslutningsanordninger, der undersøges til brug som kernefusionsreaktorer, unormale hændelser kan forårsage en overførsel af energi med 10 millioner gange intensiteten af ​​solstrålingen på Jordens overflade. Disse hændelser kan forårsage skade på strukturelle komponenter, potentielt truer en tokamaks levetid.

Penn State-forskere har for nylig offentliggjort et papir om simulering af disse forhold i laboratoriet, uden brug af en tokamak, at undersøge virkningerne af en sådan ekstrem varmebelastning på wolfram. De offentliggjorde deres resultater i npj Materiale Nedbrydning den 2. okt.

"For at få fusionskraft til virkelig at fungere i stedet for bare at arbejde teoretisk, vi skal forstå, hvordan nogle materialer vil overleve bedre end andre, " sagde Leigh Winfrey, lektor i Ken og Mary Alice Lindquist Institut for Nuklear Engineering. "Denne forskning giver os en bedre forståelse af problemet."

Når en tokamak opererer, højenergiplasma strømmer gennem dets kammer i en donut-lignende form, afgrænset af magnetiske felter, så plasmaet – ofte ved temperaturer på flere hundrede millioner grader Fahrenheit – ikke rører tokamak-væggene. Enheder kaldet omledere er i kontakt med dele af plasmaet for at fjerne affaldsprodukter. Aflederne skal være i stand til at modstå varmeoverførslen fra typiske tokamak-operationer samt usædvanlige hændelser skabt af plasma-ustabilitet, analogt med udbruddet af et soludbrud på solens overflade. Disse anomalier kan levere ekstreme varmebelastninger med varigheder fra millisekunder til minutter.

Forskerne undersøgte virkningerne af disse unormale hændelser på wolfram, et metal, der udforskes til brug i tokamak-fusionsreaktorafledninger. Wolframs smeltepunkt er det højeste af ethvert rent grundstof, og den har en høj kapacitet til at overføre varme væk efter at have absorberet den.

Den eksperimentelle del af undersøgelsen fandt sted ved University of Florida, hvor Winfrey tidligere tjente som fakultetsmedlem. Wolfram blev brugt som indvendig foring til isolerede rør med en indvendig diameter på 4 mm, omtrent på længden af ​​et sesamfrø, og en udvendig diameter på 6,9 mm. Elektriske ladninger blev pulseret gennem røret med intervaller på en til to milliontedele af et sekund. Tilførslen af ​​strøm over et lille område og kort varighed skabte faner af buet plasma, som genererede strømme af energi kaldet varmestrømme over rørets overflade, der målte op til 46,3 gigawatt per kvadratmeter. Til sammenligning, mere end 400 vindmøller er nødvendige for at producere energi med en hastighed på én gigawatt.

Prøverne blev testet ved fire forskellige varmefluxer og analyseret med et scanningselektronmikroskop efter fuldstændig afkøling. Mens omfanget af skaden var forskellig mellem varmefluxeksponeringer, hver af dem skabte tre forskellige lag i wolframtværsnittet. Det første lag bestod af fuldt smeltet wolfram, der var størknet igen, det andet var delvist smeltet og ikke-beskadiget wolfram udgjorde det tredje lag.

Mikrofunktioner varierede mellem lag. Det første lag indeholdt adskillige funktioner, inklusive formationer i roselignende former, små hulrum, der dannes fra forskydnings- og termiske spændinger, kobbernanopartikler overført under den elektriske pulsering og ny vækst af mikroskopiske grupper af krystaller kaldet korn. Sekundet, delvist smeltet lag udviste et antal hulrum, der var rettet mod varmekilden, og søjleformede korn, der var mindre rettet mod varmekilden. I det tredje lag, korn voksede i størrelse ved at vedhæfte mindre korn, meget ligesom en regndråbe, der glider ned ad et vindue, vil kollidere med andre dråber og danne en større.

Fordi hver af disse mikrofunktioner kan tilskrives en bestemt årsag, disse detaljer kan give forskere indsigt i yderligere forskning i design af materialer med bedre overlevelsesevne i et fusionsmiljø, ifølge Winfrey.

"Trækkene i disse lag kan spores tilbage til en fysisk proces, " sagde Winfrey. "Og når du ved, hvilke fysiske mekanismer der forårsager disse mikrofunktioner, du kan begynde at ændre den måde, materialet er lavet på for at gøre det modstandsdygtigt over for denne skade."