En tokamaks, dispositivos de confinamiento magnético que se están explorando para su uso como reactores de fusión nuclear, Los eventos anómalos pueden causar una transferencia de energía con 10 millones de veces la intensidad de la radiación solar en la superficie de la Tierra. Estos eventos pueden causar daños a los componentes estructurales, potencialmente amenazando la longevidad de un tokamak.

Los investigadores de Penn State publicaron recientemente un artículo sobre la simulación de estas condiciones en el laboratorio, sin el uso de un tokamak, para investigar los efectos de una carga de calor tan extrema en el tungsteno. Publicaron sus hallazgos en Degradación de materiales npj el 2 de octubre.

"Para hacer que la energía de fusión funcione realmente en lugar de simplemente funcionar teóricamente, necesitamos entender cómo algunos materiales sobrevivirán mejor que otros, "dijo Leigh Winfrey, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Nuclear de Ken and Mary Alice Lindquist. "Esta investigación nos da una mejor comprensión del problema".

Cuando funciona un tokamak, El plasma de alta energía fluye a través de su cámara en forma de rosquilla, limitado por campos magnéticos para que el plasma, a menudo a temperaturas de varios cientos de millones de grados Fahrenheit, no toque las paredes del tokamak. Los dispositivos llamados desviadores están en contacto con partes del plasma para eliminar los productos de desecho. Los desviadores deben poder soportar la transferencia de calor de las operaciones típicas de Tokamak, así como los eventos inusuales creados por la inestabilidad del plasma. análogo a la erupción de una llamarada solar en la superficie del sol. Estas anomalías pueden generar cargas de calor extremas en duraciones de milisegundos a minutos.

Los investigadores investigaron los efectos de estos eventos anómalos en el tungsteno, un metal que se está explorando para su uso en desviadores de reactores de fusión tokamak. El punto de fusión del tungsteno es el más alto de cualquier elemento puro, y tiene una alta capacidad para transferir el calor después de absorberlo.

La parte experimental del estudio se llevó a cabo en la Universidad de Florida, donde Winfrey se desempeñó anteriormente como miembro de la facultad. El tungsteno se utilizó como revestimiento interior para tubos aislados con un diámetro interior de 4 mm, aproximadamente del largo de una semilla de sésamo, y un diámetro exterior de 6,9 ​​mm. Se pulsaron cargas eléctricas a través del tubo a intervalos de una a dos millonésimas de segundo. El suministro de corriente en un área pequeña y de corta duración creó columnas de plasma arqueado, que generó flujos de energía llamados flujos de calor sobre la superficie del tubo que medían hasta 46,3 gigavatios por metro cuadrado. Para comparacion, se necesitan más de 400 turbinas eólicas para producir energía a razón de un gigavatio.

Las muestras se probaron a cuatro flujos de calor diferentes y se analizaron con un microscopio electrónico de barrido después de enfriarse por completo. Si bien el alcance del daño difirió entre las exposiciones al flujo de calor, cada uno creó tres capas distintas en la sección transversal de tungsteno. La primera capa consistía en tungsteno completamente derretido que se había vuelto a solidificar, el segundo se había fundido parcialmente y el tungsteno no dañado formaba la tercera capa.

Las microcaracterísticas variaron entre capas. La primera capa contenía numerosas características, incluyendo formaciones en forma de rosas, pequeños huecos que se forman a partir de esfuerzos cortantes y térmicos, nanopartículas de cobre transferidas durante la pulsación eléctrica y el nuevo crecimiento de grupos microscópicos de cristales llamados granos. El segundo, La capa parcialmente fundida exhibió una serie de huecos que estaban alineados hacia la fuente de calor y granos columnares que estaban menos alineados hacia la fuente de calor. En la tercera capa, los granos crecieron en tamaño al adherir granos más pequeños, Al igual que una gota de agua que se desliza por una ventana, chocará con otras gotas para formar una más grande.

Debido a que cada una de estas microcaracterísticas se puede atribuir a una causa específica, Estos detalles pueden brindar a los investigadores información sobre nuevas investigaciones sobre el diseño de materiales con mejor capacidad de supervivencia en un entorno de fusión. según Winfrey.

"Las características de estas capas se remontan a un proceso físico, ", Dijo Winfrey." Y cuando sepa qué mecanismos físicos están causando estas microcaracterísticas, puede empezar a cambiar la forma en que se fabrica el material para que sea resistente a este daño ".