聚變反應(yīng)堆本質(zhì)上是一種磁性瓶，其包含在太陽(yáng)下發(fā)生的相同過程。氘和氚燃料熔化形成氦離子，中子和熱的蒸汽。由于這種熱的，電離的氣體 - 稱為等離子體 - 燃燒，熱量被轉(zhuǎn)移到水中，使蒸汽轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電的渦輪機(jī)。過熱的等離子體對(duì)反應(yīng)器壁和偏濾器構(gòu)成持續(xù)的威脅(其從操作反應(yīng)器中去除廢物以保持等離子體足夠熱以燃燒)。

“我們正試圖確定等離子體材料的基本行為，目的是更好地了解退化機(jī)制，以便我們能夠設(shè)計(jì)出堅(jiān)固的新材料，”能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家Chad Parish說。他是“ 科學(xué)報(bào)告 ”期刊研究的高級(jí)作者，該研究探討了在反應(yīng)堆相關(guān)條件下鎢的降解。

由于鎢具有所有金屬的最高熔點(diǎn)，因此它是等離子體材料的候選材料。然而，由于其脆性，商業(yè)發(fā)電廠更可能由鎢合金或復(fù)合材料制成。無論如何，了解能量原子轟擊如何在顯微鏡下影響鎢有助于工程師改進(jìn)核材料。

“在聚變發(fā)電廠內(nèi)部，工程師曾被要求設(shè)計(jì)材料，這是最殘酷的環(huán)境，”Parish說。“它比噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部更糟糕。”

研究人員正在研究等離子體和機(jī)器組件的相互作用，以制造出與這種惡劣工作條件相匹配的材料。材料可靠性是當(dāng)前和新核技術(shù)的關(guān)鍵問題，其對(duì)發(fā)電廠的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本具有顯著影響。因此，設(shè)計(jì)材料以確保長(zhǎng)壽命的耐用性至關(guān)重要。

對(duì)于目前的研究，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員用低能量氦等離子體轟擊鎢，模擬正常條件下的聚變反應(yīng)堆。與此同時(shí)，ORNL的研究人員使用多重離子研究設(shè)施用高能氦離子攻擊鎢，模擬稀有條件，例如可能存在異常大量能量的等離子體破壞。

利用透射電子顯微鏡，掃描透射電子顯微鏡，掃描電子顯微鏡和電子納米晶體學(xué)，科學(xué)家們描述了鎢晶體中氣泡的演變以及在低能和高能條件下稱為“卷須”的結(jié)構(gòu)的形狀和生長(zhǎng)。他們將這些樣品送到一家名為AppFive的公司進(jìn)行進(jìn)動(dòng)電子衍射，這是一種先進(jìn)的電子晶體學(xué)技術(shù)，用于推斷不同條件下的生長(zhǎng)機(jī)制。

幾年來，科學(xué)家們已經(jīng)知道鎢通過形成十億分之一米或納米級(jí)的結(jié)晶卷須來響應(yīng)等離子體 - 一種微小的草坪。目前的研究發(fā)現(xiàn)，低能量轟擊產(chǎn)生的卷須生長(zhǎng)緩慢，更細(xì)，更光滑 - 形成更密集的絨毛地毯 - 比高能量攻擊造成的更多。

在金屬中，原子呈現(xiàn)有序的結(jié)構(gòu)排列，在它們之間具有確定的空間。如果一個(gè)原子被移位，那么一個(gè)空位或“空位”仍然存在。如果像臺(tái)球一樣的輻射會(huì)從原點(diǎn)撞出原子并留下空位，那么原子就必須到達(dá)某個(gè)地方。它在晶體中的其他原子之間產(chǎn)生裂縫，成為間隙。

正常的聚變反應(yīng)堆操作使偏濾器暴露于高通量的極低能量氦原子。Parish解釋說：“氦離子不足以擊打臺(tái)球碰撞，所以它必須潛入格子中才能開始形成氣泡或其他缺陷。”

像UT-ORNL州長(zhǎng)的Brian Wirth這樣的理論家已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，并相信當(dāng)氣泡形成時(shí)，從晶格中移位的材料成為卷須的構(gòu)建塊。Parish說，氦原子隨機(jī)地在晶格周圍徘徊。它們碰到其他氦氣并聯(lián)合起來。最終，這個(gè)星團(tuán)足夠大，可以將鎢原子從其位置上剔除。

“每次氣泡生長(zhǎng)時(shí)，它會(huì)將更多的鎢原子從它們的位置推出，它們必須到達(dá)某個(gè)地方。它們將被吸引到地表，”Parish說。“我們相信，這是納米氧化形成的機(jī)制。”

計(jì)算科學(xué)家在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行模擬，以原子水平或納米尺寸和納秒時(shí)間尺度研究材料。工程師探索材料在長(zhǎng)時(shí)間暴露于等離子體后，在厘米長(zhǎng)度和小時(shí)時(shí)間尺度上如何脆化，破裂和表現(xiàn)。“但兩者之間幾乎沒有什么科學(xué)，”Parish說，他的實(shí)驗(yàn)填補(bǔ)了這一知識(shí)空白，研究了物質(zhì)退化的最初跡象和納米金盞花生長(zhǎng)的早期階段。

模糊是好還是壞?“Fuzz可能同時(shí)具有有害和有益的特性，但在我們了解更多信息之前，我們不能設(shè)計(jì)材料來試圖消除壞事，同時(shí)強(qiáng)調(diào)好事，”Parish說。從好的方面來說，模糊的鎢可能會(huì)產(chǎn)生熱量負(fù)荷，這會(huì)破壞體積鎢，并且模糊的腐蝕比體積鎢小10倍。在負(fù)面，納米纖維可以脫落，形成可以冷卻等離子體的灰塵?？茖W(xué)家的下一個(gè)目標(biāo)是了解材料是如何演變的，以及將納米棒材從表面上分離出來是多么容易。

ORNL合作伙伴公布了最近的掃描電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)，闡明了鎢的行為。一項(xiàng)研究表明，卷須生長(zhǎng)沒有以任何優(yōu)選的方向進(jìn)行。另一項(xiàng)調(diào)查顯示，面向等離子體的鎢對(duì)氦原子通量的響應(yīng)僅從nanofuzz(在低通量下)發(fā)展到nanofuzz加上氣泡(在高通量下)。