Un reattore a fusione è essenzialmente una bottiglia magnetica contenente gli stessi processi che avvengono al sole. I combustibili deuterio e trizio si fondono per formare un vapore di ioni di elio, neutroni e calore. Come questo caldo, gas ionizzato, chiamato plasma, brucia, quel calore viene trasferito all'acqua per produrre vapore per far girare le turbine che generano elettricità. Il plasma surriscaldato rappresenta una minaccia costante per la parete del reattore e il deviatore (che rimuove i rifiuti dal reattore in funzione per mantenere il plasma abbastanza caldo da bruciare).

"Stiamo cercando di determinare il comportamento fondamentale dei materiali rivolti verso il plasma con l'obiettivo di comprendere meglio i meccanismi di degradazione in modo da poter progettare robusti, nuovi materiali, ", ha affermato lo scienziato dei materiali Chad Parish dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy. È autore senior di uno studio sulla rivista Rapporti scientifici che ha esplorato la degradazione del tungsteno in condizioni rilevanti per il reattore.

Poiché il tungsteno ha il punto di fusione più alto di tutti i metalli, è un candidato per i materiali con rivestimento al plasma. A causa della sua fragilità, però, una centrale elettrica commerciale sarebbe più probabilmente fatta di una lega di tungsteno o di un composito. Indipendentemente, apprendere come il bombardamento atomico energetico influenzi microscopicamente il tungsteno aiuta gli ingegneri a migliorare i materiali nucleari.

"All'interno di una centrale elettrica a fusione c'è l'ambiente più brutale a cui sia mai stato chiesto agli ingegneri di progettare materiali per, " Ha detto Parish. "È peggio dell'interno di un motore a reazione".

I ricercatori stanno studiando l'interazione tra plasma e componenti della macchina per creare materiali che siano più che adeguati a condizioni operative così difficili. L'affidabilità dei materiali è una questione chiave con le attuali e nuove tecnologie nucleari che ha un impatto significativo sui costi di costruzione e di esercizio delle centrali elettriche. Quindi è fondamentale progettare materiali per la robustezza per lunghi cicli di vita.

Per lo studio in corso, ricercatori dell'Università della California, San Diego, tungsteno bombardato con plasma di elio a bassa energia che imita un reattore a fusione in condizioni normali. Nel frattempo, i ricercatori dell'ORNL hanno utilizzato il Multicharged Ion Research Facility per attaccare il tungsteno con ioni di elio ad alta energia che emulano condizioni rare, come un'interruzione del plasma che potrebbe depositare una quantità anormalmente grande di energia.

Utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, microscopia elettronica della trasmissione di scansione, microscopia elettronica a scansione e nanocristallografia elettronica, gli scienziati hanno caratterizzato l'evoluzione delle bolle nel cristallo di tungsteno e la forma e la crescita di strutture chiamate "viticci" in condizioni di bassa e alta energia. Hanno inviato i campioni a una ditta chiamata AppFive per la diffrazione elettronica di precessione, una tecnica avanzata di cristallografia elettronica, dedurre meccanismi di crescita in condizioni diverse.

Da alcuni anni gli scienziati sanno che il tungsteno risponde al plasma formando viticci cristallini sulla scala dei miliardesimi di metro, o nanometri, una specie di piccolo prato. L'attuale studio ha scoperto che i viticci prodotti dal bombardamento a bassa energia erano a crescita più lenta, più fini e lisci, formando un tappeto di peluria più denso, rispetto a quelli creati da un assalto ad energia più elevata.

Nei metalli, gli atomi assumono una disposizione strutturale ordinata con spazi definiti tra di loro. Se un atomo viene spostato, un sito vuoto, o "posto vacante, " rimane. Se la radiazione, come una palla da biliardo, fa cadere un atomo dal suo sito e lascia un posto vacante, quell'atomo deve andare da qualche parte. Si stipa tra altri atomi nel cristallo, diventando un interstiziale.

Il normale funzionamento del reattore a fusione espone il divertore a un flusso elevato di atomi di elio a bassissima energia. "Uno ione di elio non colpisce abbastanza forte da fare la collisione con la palla da biliardo, quindi deve intrufolarsi nel reticolo per iniziare a formare bolle o altri difetti, "Spiega la Parrocchia.

Teorici come Brian Wirth, un presidente del governatore UT-ORNL, hanno modellato il sistema e credono che il materiale che si sposta dal reticolo quando si formano le bolle diventi gli elementi costitutivi dei viticci. Gli atomi di elio vagano casualmente intorno al reticolo, Parrocchia ha detto. Si imbattono in altri elio e uniscono le forze. Alla fine l'ammasso è abbastanza grande da far cadere un atomo di tungsteno dal suo sito.

"Ogni volta che la bolla cresce spinge un altro paio di atomi di tungsteno fuori dai loro siti, e devono andare da qualche parte. Saranno attratti dalla superficie, " Parish ha detto. "Questo, noi crediamo, è il meccanismo con cui si forma questo nanofuzz."

Gli scienziati computazionali eseguono simulazioni su supercomputer per studiare i materiali a livello atomico, o dimensioni nanometriche e scale temporali in nanosecondi. Gli ingegneri esplorano come i materiali si infragiliscono, crepa, e comportarsi diversamente dopo una lunga esposizione al plasma, su scale cronometriche e orarie. "Ma c'era poca scienza in mezzo, "disse Parrocchia, il cui esperimento ha colmato questa lacuna di conoscenza per studiare i primi segni di degradazione del materiale e le prime fasi della crescita dei nanoviticci.

Quindi il fuzz è buono o cattivo? "È probabile che il fuzz abbia proprietà sia dannose che benefiche, ma finché non ne sapremo di più, non possiamo progettare materiali per cercare di eliminare il male accentuando il bene, " disse Parish. Tra i lati positivi, il tungsteno sfocato potrebbe sopportare carichi di calore che potrebbero rompere il tungsteno sfuso, e l'erosione è 10 volte inferiore in fuzzy rispetto al tungsteno sfuso. Sul lato negativo, i nanoviticci possono staccarsi, formando una polvere che può raffreddare il plasma. Il prossimo obiettivo degli scienziati è imparare come si evolve il materiale e quanto sia facile staccare i nanoviticci dalla superficie.

I partner dell'ORNL hanno pubblicato recenti esperimenti di microscopia elettronica a scansione che illuminano il comportamento del tungsteno. Uno studio ha mostrato che la crescita dei viticci non procedeva con alcun orientamento preferito. Un'altra indagine ha rivelato che la risposta del tungsteno rivolto verso il plasma al flusso di atomi di elio si è evoluta da solo nanofuzz ​​(a basso flusso) a nanofuzz ​​più bolle (ad alto flusso).

Il titolo dell'articolo corrente è "Morphologies of tungsteno nanotendrils cresciuti sotto esposizione all'elio".