Ny forskning i wolfram åbner mulighed for at forbedre fusionsmaterialer

I jagten på ren og endeløs energi er atomfusion en lovende grænse. Men i fusionsreaktorer, hvor videnskabsmænd forsøger at lave energi ved at smelte atomer sammen og efterligne solens energiproduktionsproces, kan tingene blive ekstremt varme. For at overvinde dette har forskere dykket dybt ned i videnskaben om varmestyring med fokus på et specielt metal kaldet wolfram.

Ny forskning, ledet af forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, fremhæver wolframs potentiale til væsentligt at forbedre fusionsreaktorteknologi baseret på nye resultater om dens evne til at lede varme. Dette fremskridt kunne fremskynde udviklingen af ​​mere effektive og elastiske fusionsreaktormaterialer. Deres resultater blev offentliggjort i dag i Science Advances .

"Det, der ophidser os, er potentialet i vores resultater til at påvirke designet af kunstige materialer til fusion og andre energianvendelser," sagde samarbejdspartner Siegfried Glenzer, direktør for High Energy Density Division hos SLAC. "Vores arbejde demonstrerer evnen til at undersøge materialer på atomare skala, hvilket giver værdifulde data til yderligere forskning og udvikling."

Hold afkølet under tryk

Wolfram er ikke et hvilket som helst metal. Det er stærkt, kan klare utrolig høje temperaturer og bliver ikke skævt eller svækket af hedebølger så meget som andre metaller. Dette gør den særlig effektiv til at lede varme væk hurtigt og effektivt, hvilket er præcis, hvad der er brug for under de supervarme forhold i en fusionsreaktor. Hurtig varmebelastning af wolfram og dets legeringer findes også i mange rumfartsapplikationer, såsom raketmotordyser, varmeskjolde og turbinebladsbelægninger.

At forstå, hvordan wolfram arbejder med varme, giver fingerpeg om, hvordan man laver nye materialer til fusionsreaktorer, der er endnu bedre til at holde kølige under tryk. I denne nye forskning udviklede forskerne en ny måde at nøje undersøge, hvordan wolfram håndterer varme på atomniveau.

Forskerholdet satte sig for at udforske fænomenet fononspredning - en proces, hvor gittervibrationer i et fast materiale interagerer og spiller en afgørende rolle i materialets evne til at lede varme. Traditionelt blev fononernes bidrag til termisk transport i metaller undervurderet, med mere vægt på elektronernes rolle. Gennem en kombination af modellering og state-of-the-art eksperimentelle teknikker kastede forskerholdet lys over fononernes adfærd i wolfram.

Udvikling af bidrag

Ved SLACs højhastigheds "elektronkamera" MeV-UED undersøgte forskerne materialet med en teknik kaldet ultrahurtig elektron diffus spredning (UEDS), som gjorde det muligt for holdet at observere og måle interaktionerne mellem elektroner og fononer med hidtil uset præcision. Denne metode involverer at skyde en laser for at excitere elektronerne i wolfram og derefter observere, hvordan disse exciterede elektroner interagerer med fononer. UEDS-teknikken fanger spredningen af ​​elektroner fra fononer, hvilket giver forskere mulighed for at observere disse interaktioner i realtid med utrolig præcision.

UEDS gjorde det muligt for forskerne at skelne mellem bidragene fra elektron-phonon og phonon-phonon spredning til termisk transport. Denne differentiering er nøglen til at forstå den komplekse funktion af varmestyring i materialer, der er udsat for de barske forhold i en fusionsreaktor.

"Udfordringen ligger i at skelne bidragene fra fononer fra elektroner i termisk transport," sagde SLAC-forsker Mianzhen Mo, der ledede forskningen. "Vores papir introducerer en state-of-the-art teknik, der løser disse bidrag, og afslører, hvordan energi fordeles i materialet. Denne teknik gjorde det muligt for os præcist at måle interaktionerne mellem elektroner og fononer i wolfram, hvilket gav os indsigt, der tidligere var uden for rækkevidde."

Undersøgelsens resultater viste, at i wolfram er interaktionen mellem fononer i sig selv meget svagere end forventet. Denne svage fonon-fonon-interaktion betyder, at wolfram kan lede varme mere effektivt end tidligere antaget.

"Vores resultater er særligt relevante for at designe nye, mere robuste materialer til fusionsreaktorer," sagde samarbejdspartner Alfredo Correa, en videnskabsmand ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). "Sådanne præcise eksperimenter giver fremragende validering af den nye simuleringsteknik, vi brugte i dette arbejde til at beskrive varmetransport og de mikroskopiske bevægelser af atomer og elektroner, hvilket giver os mulighed for at forudsige, hvordan materialer vil opføre sig under ekstreme miljøer."

Hvis du ikke kan klare varmen...

Som opfølgning på denne forskning planlægger holdet at undersøge virkningen af ​​urenheder, såsom helium, på wolframs evne til at håndtere varme. Heliumakkumulering, et produkt af fusionsneutroninduceret transmutation i materialer, kan påvirke materialets ydeevne og levetid.

"Den næste fase af vores forskning vil undersøge, hvordan helium og andre urenheder påvirker wolframs evne til at lede varme," sagde Mo. "Dette er afgørende for at forbedre levetiden og effektiviteten af ​​fusionsreaktormaterialer."

At forstå disse interaktioner er afgørende for at validere grundlæggende modellering og udvikle materialer, der kan modstå de strenge krav fra en fusionsreaktor over tid. Dette kan føre til endnu bedre materialer til ikke kun fusionsreaktorer, men også på andre områder, hvor håndtering af varme er kritisk, fra rumfart til bilindustrien til elektronik.

"Denne forskning handler ikke kun om at forbedre materialer til fusionsreaktorer; det handler om at udnytte vores forståelse af fonondynamik til at revolutionere, hvordan vi håndterer varme i en bred vifte af applikationer," sagde Glenzer. "Vi forbedrer ikke kun vores forståelse af, hvordan materialer opfører sig under ekstreme forhold; vi lægger grunden til en fremtid, hvor ren, bæredygtig fusionsenergi kan være en realitet."

Flere oplysninger: Mianzhen Mo et al, Direkte observation af stærk momentumafhængig elektron-fonon-kobling i et metal, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk9051

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory