Em tokamaks, dispositivos de confinamento magnético sendo explorados para uso como reatores de fusão nuclear, eventos anômalos podem causar uma transferência de energia com 10 milhões de vezes a intensidade da radiação solar na superfície da Terra. Esses eventos podem causar danos aos componentes estruturais, potencialmente ameaçando a longevidade de um tokamak.

Pesquisadores da Penn State publicaram recentemente um artigo sobre a simulação dessas condições em laboratório, sem o uso de um tokamak, para investigar os efeitos de tal carga de calor extrema no tungstênio. Eles publicaram suas descobertas em Npj Degradação de Materiais em 2 de outubro.

"Para fazer a energia de fusão realmente funcionar, em vez de apenas funcionar teoricamente, precisamos entender como alguns materiais sobreviverão melhor do que outros, "disse Leigh Winfrey, professor associado do Departamento de Engenharia Nuclear Ken and Mary Alice Lindquist. "Essa pesquisa nos dá uma melhor compreensão do problema."

Quando um tokamak opera, plasma de alta energia flui através de sua câmara em forma de donut, delimitado por campos magnéticos, de forma que o plasma - freqüentemente em temperaturas de várias centenas de milhões de graus Fahrenheit - não toque as paredes do tokamak. Dispositivos chamados divertores estão em contato com porções do plasma para remover produtos residuais. Os divertores devem ser capazes de suportar a transferência de calor de operações típicas de tokamak, bem como eventos incomuns criados pela instabilidade do plasma, análogo à erupção de uma explosão solar na superfície do sol. Essas anomalias podem fornecer cargas de calor extremas com durações de milissegundos a minutos.

Os pesquisadores investigaram os efeitos desses eventos anômalos no tungstênio, um metal sendo explorado para uso em divertores de reator de fusão tokamak. O ponto de fusão do tungstênio é o mais alto de qualquer elemento puro, e tem uma grande capacidade de transferência de calor após absorvê-lo.

A parte experimental do estudo ocorreu na Universidade da Flórida, onde Winfrey atuou anteriormente como membro do corpo docente. O tungstênio foi usado como um revestimento interno para tubos isolados com um diâmetro interno de 4 mm, sobre o comprimento de uma semente de gergelim, e um diâmetro externo de 6,9 ​​mm. Cargas elétricas eram pulsadas através do tubo em intervalos de um a dois milionésimos de segundo. O fornecimento de corrente em uma área pequena e de curta duração criou plumas de plasma arqueado, que gerou fluxos de energia chamados fluxos de calor sobre a superfície do tubo que mediam até 46,3 gigawatts por metro quadrado. Para comparação, mais de 400 turbinas eólicas são necessárias para produzir energia a uma taxa de um gigawatt.

As amostras foram testadas em quatro fluxos de calor diferentes e analisadas com um microscópio eletrônico de varredura após resfriamento completo. Embora a extensão do dano seja diferente entre as exposições ao fluxo de calor, cada um criou três camadas distintas na seção transversal de tungstênio. A primeira camada consistia em tungstênio totalmente derretido que tinha solidificado, o segundo havia sido parcialmente derretido e o tungstênio não danificado formava a terceira camada.

As microfeaturas variaram entre as camadas. A primeira camada continha vários recursos, incluindo formações em formas semelhantes a rosas, pequenos vazios formados por cisalhamento e tensões térmicas, nanopartículas de cobre transferidas durante a pulsação elétrica e novo crescimento de grupos microscópicos de cristais chamados grãos. O segundo, a camada parcialmente derretida exibiu vários vazios que foram alinhados em direção à fonte de calor e grãos colunares que estavam menos alinhados em direção à fonte de calor. Na terceira camada, grãos cresceram em tamanho ao anexar grãos menores, muito parecido com uma gota de chuva que desliza por uma janela colide com outras gotas para formar uma maior.

Como cada uma dessas microcaracterísticas pode ser atribuída a uma causa específica, esses detalhes podem dar aos pesquisadores insights sobre pesquisas futuras sobre o projeto de materiais com melhor capacidade de sobrevivência em um ambiente de fusão, de acordo com Winfrey.

"Os recursos nessas camadas podem ser rastreados até um processo físico, "Winfrey disse." E quando você souber quais mecanismos físicos estão causando essas microcaracterísticas, você pode começar a mudar a forma como o material é feito para torná-lo resistente a esses danos. "