Nei tokamak, dispositivi di confinamento magnetico in fase di esplorazione per l'uso come reattori a fusione nucleare, eventi anomali possono causare un trasferimento di energia con 10 milioni di volte l'intensità della radiazione solare sulla superficie terrestre. Questi eventi possono causare danni ai componenti strutturali, potenzialmente minacciando la longevità di un tokamak.

I ricercatori della Penn State hanno recentemente pubblicato un articolo sulla simulazione di queste condizioni in laboratorio, senza l'uso di un tokamak, per studiare gli effetti di un carico termico così estremo sul tungsteno. Hanno pubblicato i loro risultati in npj Degradazione dei materiali il 2 ottobre.

"Per far funzionare davvero l'energia da fusione invece di lavorare solo teoricamente, dobbiamo capire come alcuni materiali sopravviveranno meglio di altri, " ha detto Leigh Winfrey, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Nucleare di Ken e Mary Alice Lindquist. "Questa ricerca ci dà una migliore comprensione del problema".

Quando un tokamak funziona, plasma ad alta energia scorre attraverso la sua camera a forma di ciambella, delimitato da campi magnetici in modo che il plasma, spesso a temperature di diverse centinaia di milioni di gradi Fahrenheit, non tocchi le pareti del tokamak. I dispositivi chiamati deviatori sono in contatto con porzioni del plasma per rimuovere i prodotti di scarto. I divertori devono essere in grado di sopportare il trasferimento di calore dalle operazioni tipiche del tokamak, nonché gli eventi insoliti creati dall'instabilità del plasma, analogo all'eruzione di un brillamento solare sulla superficie del sole. Queste anomalie possono fornire carichi termici estremi con durate da millisecondi a minuti.

I ricercatori hanno studiato gli effetti di questi eventi anomali su tungsteno, un metallo in fase di esplorazione per l'uso nei deviatori del reattore a fusione tokamak. Il punto di fusione del tungsteno è il più alto di qualsiasi elemento puro, e ha un'elevata capacità di trasferire il calore dopo averlo assorbito.

La parte sperimentale dello studio si è svolta presso l'Università della Florida, dove Winfrey era precedentemente membro di facoltà. Il tungsteno è stato utilizzato come rivestimento interno per tubi isolati con un diametro interno di 4 mm, circa la lunghezza di un seme di sesamo, e un diametro esterno di 6,9 mm. Le cariche elettriche venivano pulsate attraverso il tubo ad intervalli da uno a due milionesimi di secondo. La fornitura di corrente su una piccola area e di breve durata ha creato pennacchi di plasma ad arco, che generava flussi di energia chiamati flussi di calore sulla superficie del tubo che misuravano fino a 46,3 gigawatt per metro quadrato. Per confronto, sono necessarie più di 400 turbine eoliche per produrre energia alla velocità di un gigawatt.

I campioni sono stati testati a quattro diversi flussi di calore e analizzati con un microscopio elettronico a scansione dopo il completo raffreddamento. Mentre l'entità del danno differiva tra le esposizioni al flusso di calore, ognuno ha creato tre strati distinti nella sezione trasversale di tungsteno. Il primo strato era costituito da tungsteno completamente fuso che si era solidificato, il secondo era stato parzialmente fuso e il tungsteno non danneggiato costituiva il terzo strato.

Le microcaratteristiche variavano tra i livelli. Il primo strato conteneva numerose caratteristiche, comprese le formazioni a forma di rosa, piccoli vuoti formati da sollecitazioni di taglio e termiche, nanoparticelle di rame trasferite durante la pulsazione elettrica e la nuova crescita di gruppi microscopici di cristalli chiamati grani. Il secondo, lo strato parzialmente fuso mostrava un numero di vuoti che erano allineati verso la fonte di calore e grani colonnari che erano meno allineati verso la fonte di calore. Nel terzo strato, i grani sono cresciuti di dimensioni attaccando grani più piccoli, proprio come una goccia di pioggia che scivola giù da una finestra si scontra con altre gocce per formarne una più grande.

Poiché ciascuna di queste microcaratteristiche può essere attribuita a una causa specifica, questi dettagli possono fornire ai ricercatori approfondimenti su ulteriori ricerche sulla progettazione di materiali con una migliore sopravvivenza in un ambiente di fusione, secondo Winfrey.

"Le caratteristiche di questi strati possono essere ricondotte a un processo fisico, " disse Winfrey. "E quando saprai quali meccanismi fisici stanno causando queste microfunzioni, puoi iniziare a cambiare il modo in cui il materiale è fatto per renderlo resistente a questo danno."