在极端环境中检查钨以改善聚变材料

聚变反应堆本质上是一种磁性瓶，其包含在太阳下发生的相同过程。氘和氚燃料熔化形成氦离子，中子和热的蒸汽。由于这种热的，电离的气体 - 称为等离子体 - 燃烧，热量被转移到水中，使蒸汽转变为发电的涡轮机。过热的等离子体对反应器壁和偏滤器构成持续的威胁(其从操作反应器中去除废物以保持等离子体足够热以燃烧)。

“我们正试图确定等离子体材料的基本行为，目的是更好地了解退化机制，以便我们能够设计出坚固的新材料，”能源部橡树岭国家实验室的材料科学家Chad Parish说。他是“ 科学报告 ”期刊研究的高级作者，该研究探讨了在反应堆相关条件下钨的降解。

由于钨具有所有金属的最高熔点，因此它是等离子体材料的候选材料。然而，由于其脆性，商业发电厂更可能由钨合金或复合材料制成。无论如何，了解能量原子轰击如何在显微镜下影响钨有助于工程师改进核材料。

“在聚变发电厂内部，工程师曾被要求设计材料，这是最残酷的环境，”Parish说。“它比喷气发动机的内部更糟糕。”

研究人员正在研究等离子体和机器组件的相互作用，以制造出与这种恶劣工作条件相匹配的材料。材料可靠性是当前和新核技术的关键问题，其对发电厂的建设和运营成本具有显着影响。因此，设计材料以确保长寿命的耐用性至关重要。

对于目前的研究，加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员用低能量氦等离子体轰击钨，模拟正常条件下的聚变反应堆。与此同时，ORNL的研究人员使用多重离子研究设施用高能氦离子攻击钨，模拟稀有条件，例如可能存在异常大量能量的等离子体破坏。

利用透射电子显微镜，扫描透射电子显微镜，扫描电子显微镜和电子纳米晶体学，科学家们描述了钨晶体中气泡的演变以及在低能和高能条件下称为“卷须”的结构的形状和生长。他们将这些样品送到一家名为AppFive的公司进行进动电子衍射，这是一种先进的电子晶体学技术，用于推断不同条件下的生长机制。

几年来，科学家们已经知道钨通过形成十亿分之一米或纳米级的结晶卷须来响应等离子体 - 一种微小的草坪。目前的研究发现，低能量轰击产生的卷须生长缓慢，更细，更光滑 - 形成更密集的绒毛地毯 - 比高能量攻击造成的更多。

在金属中，原子呈现有序的结构排列，在它们之间具有确定的空间。如果一个原子被移位，那么一个空位或“空位”仍然存在。如果像台球一样的辐射会从原点撞出原子并留下空位，那么原子就必须到达某个地方。它在晶体中的其他原子之间产生裂缝，成为间隙。

正常的聚变反应堆操作使偏滤器暴露于高通量的极低能量氦原子。Parish解释说：“氦离子不足以击打台球碰撞，所以它必须潜入格子中才能开始形成气泡或其他缺陷。”

像UT-ORNL州长的Brian Wirth这样的理论家已经对系统进行了建模，并相信当气泡形成时，从晶格中移位的材料成为卷须的构建块。Parish说，氦原子随机地在晶格周围徘徊。它们碰到其他氦气并联合起来。最终，这个星团足够大，可以将钨原子从其位置上剔除。

“每次气泡生长时，它会将更多的钨原子从它们的位置推出，它们必须到达某个地方。它们将被吸引到地表，”Parish说。“我们相信，这是纳米氧化形成的机制。”

计算科学家在超级计算机上运行模拟，以原子水平或纳米尺寸和纳秒时间尺度研究材料。工程师探索材料在长时间暴露于等离子体后，在厘米长度和小时时间尺度上如何脆化，破裂和表现。“但两者之间几乎没有什么科学，”Parish说，他的实验填补了这一知识空白，研究了物质退化的最初迹象和纳米金盏花生长的早期阶段。

模糊是好还是坏?“Fuzz可能同时具有有害和有益的特性，但在我们了解更多信息之前，我们不能设计材料来试图消除坏事，同时强调好事，”Parish说。从好的方面来说，模糊的钨可能会产生热量负荷，这会破坏体积钨，并且模糊的腐蚀比体积钨小10倍。在负面，纳米纤维可以脱落，形成可以冷却等离子体的灰尘。科学家的下一个目标是了解材料是如何演变的，以及将纳米棒材从表面上分离出来是多么容易。

ORNL合作伙伴公布了最近的扫描电子显微镜实验，阐明了钨的行为。一项研究表明，卷须生长没有以任何优选的方向进行。另一项调查显示，面向等离子体的钨对氦原子通量的响应仅从nanofuzz(在低通量下)发展到nanofuzz加上气泡(在高通量下)。