p Um reator de fusão é essencialmente uma garrafa magnética contendo os mesmos processos que ocorrem no sol. Combustíveis de deutério e trítio se fundem para formar um vapor de íons de hélio, nêutrons e calor. Como esta quente, gás ionizado, chamado plasma, queima, esse calor é transferido para a água para fazer vapor para girar as turbinas que geram eletricidade. O plasma superaquecido representa uma ameaça constante à parede do reator e ao divertor (que remove os resíduos do reator em operação para manter o plasma quente o suficiente para queimar). p "Estamos tentando determinar o comportamento fundamental dos materiais de revestimento de plasma com o objetivo de compreender melhor os mecanismos de degradação para que possamos criar uma engenharia robusta, novos materiais, "disse o cientista de materiais Chad Parish, do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia. Ele é o autor sênior de um estudo publicado no jornal Relatórios Científicos que explorou a degradação do tungstênio sob condições relevantes do reator.

p Como o tungstênio tem o ponto de fusão mais alto de todos os metais, é um candidato para materiais de revestimento de plasma. Devido à sua fragilidade, Contudo, uma usina comercial seria mais provavelmente feita de uma liga ou composto de tungstênio. Sem considerar, aprender sobre como o bombardeio atômico energético afeta o tungstênio microscopicamente ajuda os engenheiros a melhorar os materiais nucleares.

p "Dentro de uma usina de fusão está o ambiente mais violento que os engenheiros de ambiente já foram solicitados a projetar materiais para, "Parish disse." É pior do que o interior de um motor a jato. "

p Os pesquisadores estão estudando a interação do plasma e dos componentes da máquina para fazer materiais que são mais do que adequados para essas condições operacionais adversas. A confiabilidade dos materiais é uma questão fundamental com as tecnologias nucleares atuais e novas, que tem um impacto significativo nos custos de construção e operação de usinas de energia. Portanto, é fundamental projetar materiais para resistência ao longo de longos ciclos de vida.

p Para o estudo atual, pesquisadores da Universidade da Califórnia, San Diego, bombardeou tungstênio com plasma de hélio em baixa energia, simulando um reator de fusão em condições normais. Enquanto isso, pesquisadores do ORNL usaram o Centro de Pesquisa de Íons Multicarregados para atacar o tungstênio com íons de hélio de alta energia emulando condições raras, como uma interrupção do plasma que pode depositar uma quantidade anormalmente grande de energia.

p Usando microscopia eletrônica de transmissão, microscopia eletrônica de transmissão de varredura, microscopia eletrônica de varredura e nanocristalografia eletrônica, os cientistas caracterizaram a evolução das bolhas no cristal de tungstênio e a forma e o crescimento das estruturas chamadas "gavinhas" em condições de baixa e alta energia. Eles enviaram as amostras para uma empresa chamada AppFive para difração de elétrons de precessão, uma técnica avançada de cristalografia de elétrons, para inferir mecanismos de crescimento em diferentes condições.

p Há alguns anos, os cientistas sabem que o tungstênio responde ao plasma formando gavinhas cristalinas na escala de bilionésimos de um metro, ou nanômetros - uma espécie de gramado minúsculo. O estudo atual descobriu que gavinhas produzidas por bombardeio de baixa energia cresciam mais lentamente, mais fina e lisa - formando um tapete mais denso de penugem - do que aquelas criadas por ataques de alta energia.

p Em metais, os átomos assumem um arranjo estrutural ordenado com espaços definidos entre eles. Se um átomo é deslocado, um site vazio, ou "vaga, "permanece. Se a radiação, como uma bola de bilhar, derruba um átomo de seu local e deixa uma vaga, aquele átomo tem que ir para algum lugar. Ele se amontoa entre outros átomos no cristal, tornando-se um intersticial.

p A operação normal do reator de fusão expõe o divertor a um alto fluxo de átomos de hélio de energia muito baixa. "Um íon de hélio não está batendo forte o suficiente para fazer a colisão da bola de bilhar, então ele tem que entrar sorrateiramente na rede para começar a formar bolhas ou outros defeitos, "Parish explicou.

p Teóricos como Brian Wirth, um Presidente do Governador UT-ORNL, modelaram o sistema e acreditam que o material que é deslocado da rede quando as bolhas se formam torna-se os blocos de construção das gavinhas. Os átomos de hélio vagam pela rede aleatoriamente, Parish disse. Eles se chocam com outros hélios e unem forças. Eventualmente, o aglomerado é grande o suficiente para derrubar um átomo de tungstênio de seu local.

p "Cada vez que a bolha cresce, ela empurra mais alguns átomos de tungstênio para fora de seus locais, e eles têm que ir a algum lugar. Eles serão atraídos para a superfície, "Parish disse." Isso, nós acreditamos, é o mecanismo pelo qual esse nanofuzz ​​se forma. "

p Cientistas da computação executam simulações em supercomputadores para estudar materiais em seu nível atômico, ou tamanho de nanômetro e escalas de tempo de nanossegundos. Os engenheiros exploram como os materiais se fragilizam, rachadura, e de outra forma se comportar após longa exposição ao plasma, em escalas de tempo de centímetros e horas. "Mas havia pouca ciência no meio, "disse Parish, cujo experimento preencheu essa lacuna de conhecimento para estudar os primeiros sinais de degradação do material e os estágios iniciais do crescimento do nanotendril.

p Então, o fuzz é bom ou ruim? "É provável que o fuzz tenha propriedades prejudiciais e benéficas, mas até que saibamos mais sobre isso, não podemos projetar materiais para tentar eliminar o ruim e acentuar o bom, "Parish disse. Do lado positivo, o tungstênio difuso pode receber cargas de calor que quebrariam o tungstênio em massa, e a erosão é 10 vezes menor em fuzzy do que o volumoso de tungstênio. No lado negativo, nanotendrilos podem quebrar, formando uma poeira que pode resfriar o plasma. O próximo objetivo dos cientistas é aprender como o material evolui e como é fácil quebrar os nanotendrilos da superfície.

p Os parceiros ORNL publicaram experimentos recentes de microscopia eletrônica de varredura que iluminam o comportamento do tungstênio. Um estudo mostrou que o crescimento da gavinha não ocorreu em nenhuma orientação preferida. Outra investigação revelou que a resposta do tungstênio voltado para o plasma ao fluxo do átomo de hélio evoluiu de nanofuzz ​​apenas (em baixo fluxo) para nanofuzz ​​mais bolhas (em alto fluxo).

p O título do artigo atual é "Morfologias de nanotendrilos de tungstênio cultivados sob exposição a hélio."