Un reactor de fusión es esencialmente una botella magnética que contiene los mismos procesos que ocurren en el sol. Los combustibles de deuterio y tritio se fusionan para formar un vapor de iones de helio, neutrones y calor. Como esta caliente gas ionizado, llamado plasma, quema, ese calor se transfiere al agua para hacer vapor para hacer girar turbinas que generan electricidad. El plasma sobrecalentado representa una amenaza constante para la pared del reactor y el desviador (que elimina los desechos del reactor en funcionamiento para mantener el plasma lo suficientemente caliente como para quemar).

"Estamos tratando de determinar el comportamiento fundamental de los materiales de revestimiento de plasma con el objetivo de comprender mejor los mecanismos de degradación para poder diseñar de manera robusta, nuevos materiales, "dijo el científico de materiales Chad Parish del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía. Él es el autor principal de un estudio en la revista Informes científicos que exploró la degradación del tungsteno en condiciones relevantes para el reactor.

Debido a que el tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, es un candidato para materiales de revestimiento de plasma. Debido a su fragilidad, sin embargo, es más probable que una planta de energía comercial esté hecha de una aleación de tungsteno o un compuesto. A pesar de todo, aprender sobre cómo el bombardeo atómico energético afecta microscópicamente al tungsteno ayuda a los ingenieros a mejorar los materiales nucleares.

"Dentro de una planta de energía de fusión se encuentra el entorno más brutal a los que se les ha pedido a los ingenieros que diseñen materiales para, ", Dijo Parish." Es peor que el interior de un motor a reacción ".

Los investigadores están estudiando la interacción del plasma y los componentes de la máquina para fabricar materiales que sean más que adecuados para condiciones operativas tan duras. La confiabilidad de los materiales es un tema clave con las tecnologías nucleares actuales y nuevas que tiene un impacto significativo en los costos de construcción y operación de las centrales eléctricas. Por lo tanto, es fundamental diseñar materiales para que sean resistentes durante largos ciclos de vida.

Para el estudio actual, investigadores de la Universidad de California, San Diego, tungsteno bombardeado con plasma de helio a baja energía imitando un reactor de fusión en condiciones normales. Mientras tanto, Los investigadores de ORNL utilizaron la instalación de investigación de iones de carga múltiple para atacar el tungsteno con iones de helio de alta energía que emulan condiciones raras. como una alteración del plasma que podría depositar una cantidad anormalmente grande de energía.

Usando microscopía electrónica de transmisión, microscopía electrónica de transmisión de barrido, microscopía electrónica de barrido y nanocristalografía electrónica, los científicos caracterizaron la evolución de las burbujas en el cristal de tungsteno y la forma y el crecimiento de estructuras llamadas "zarcillos" en condiciones de baja y alta energía. Enviaron las muestras a una empresa llamada AppFive para la difracción de electrones de precesión, una técnica avanzada de cristalografía electrónica, inferir mecanismos de crecimiento en diferentes condiciones.

Durante algunos años, los científicos han sabido que el tungsteno responde al plasma formando zarcillos cristalinos en la escala de mil millonésimas de metro, o nanómetros, una especie de césped diminuto. El estudio actual descubrió que los zarcillos producidos por el bombardeo de menor energía eran de crecimiento más lento, más finas y suaves, formando una alfombra de pelusa más densa, que las creadas por un asalto de mayor energía.

En metales, los átomos asumen una disposición estructural ordenada con espacios definidos entre ellos. Si un átomo se desplaza, un sitio vacío, o "vacante, "permanece. Si la radiación, como una bola de billar, golpea un átomo de su sitio y deja una vacante, ese átomo tiene que ir a alguna parte. Se aprieta entre otros átomos en el cristal, convirtiéndose en un intersticial.

El funcionamiento normal del reactor de fusión expone al desviador a un alto flujo de átomos de helio de muy baja energía. "Un ion de helio no golpea con la fuerza suficiente para provocar la colisión de la bola de billar, por lo que tiene que colarse en la celosía para comenzar a formar burbujas u otros defectos, "Parish explicó.

Teóricos como Brian Wirth, una silla del gobernador de UT-ORNL, han modelado el sistema y creen que el material que se desplaza de la red cuando se forman las burbujas se convierte en los componentes básicos de los zarcillos. Los átomos de helio deambulan por la red al azar, Parroquia dijo. Chocan con otros helios y unen fuerzas. Finalmente, el cúmulo es lo suficientemente grande como para sacar un átomo de tungsteno de su sitio.

"Cada vez que la burbuja crece, empuja un par más de átomos de tungsteno fuera de sus sitios, y tienen que ir a alguna parte. Se sentirán atraídos por la superficie "Parish dijo." Eso, creemos, es el mecanismo por el cual se forma este nanofuzz ​​".

Los científicos computacionales ejecutan simulaciones en supercomputadoras para estudiar materiales a su nivel atómico, o tamaño nanométrico y escalas de tiempo de nanosegundos. Los ingenieros exploran cómo los materiales se vuelven frágiles, grieta, y comportarse de otra manera después de una exposición prolongada al plasma, en escalas de tiempo de longitud y hora en centímetros. "Pero había poca ciencia en el medio, "dijo Parish, cuyo experimento llenó este vacío de conocimiento para estudiar los primeros signos de degradación del material y las primeras etapas del crecimiento de nanotendril.

Entonces, ¿el fuzz es bueno o malo? "Es probable que la pelusa tenga propiedades tanto perjudiciales como beneficiosas, pero hasta que sepamos más al respecto, no podemos diseñar materiales para tratar de eliminar lo malo y acentuar lo bueno, "Dijo Parish. En el lado positivo, el tungsteno difuso podría soportar cargas de calor que romperían el tungsteno a granel, y la erosión es 10 veces menor en tungsteno difuso que a granel. En el lado negativo los nanotándolos pueden romperse, formando un polvo que puede enfriar el plasma. El próximo objetivo de los científicos es aprender cómo evoluciona el material y qué tan fácil es romper los nanotrígidos de la superficie.

Los socios de ORNL publicaron experimentos recientes de microscopía electrónica de barrido que ilustran el comportamiento del tungsteno. Un estudio mostró que el crecimiento del zarcillo no se desarrolló en ninguna orientación preferida. Otra investigación reveló que la respuesta del tungsteno frente al plasma al flujo del átomo de helio evolucionó de nanofuzz ​​solamente (a bajo flujo) a nanofuzz ​​más burbujas (a alto flujo).

El título del artículo actual es "Morfologías de los nanotríngulos de tungsteno cultivados bajo exposición al helio".