Un réacteur de fusion est essentiellement une bouteille magnétique contenant les mêmes processus qui se produisent au soleil. Les combustibles deutérium et tritium fusionnent pour former une vapeur d'ions d'hélium, les neutrons et la chaleur. Comme ce chaud, le gaz ionisé—appelé plasma—brûle, cette chaleur est transférée à l'eau pour produire de la vapeur et faire tourner des turbines qui produisent de l'électricité. Le plasma surchauffé constitue une menace constante pour la paroi du réacteur et le divertor (qui élimine les déchets du réacteur en fonctionnement pour maintenir le plasma suffisamment chaud pour brûler).

"Nous essayons de déterminer le comportement fondamental des matériaux face au plasma dans le but de mieux comprendre les mécanismes de dégradation afin de pouvoir concevoir des matériaux robustes, nouveaux matériaux, " a déclaré le scientifique des matériaux Chad Parish du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. Il est l'auteur principal d'une étude dans la revue Rapports scientifiques qui a exploré la dégradation du tungstène dans des conditions pertinentes pour le réacteur.

Parce que le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux, c'est un candidat pour les matériaux face au plasma. En raison de sa fragilité, cependant, une centrale électrique commerciale serait plus probablement constituée d'un alliage ou d'un composite de tungstène. Indépendamment, apprendre comment le bombardement atomique énergétique affecte le tungstène au microscope aide les ingénieurs à améliorer les matériaux nucléaires.

"À l'intérieur d'une centrale à fusion se trouve l'environnement le plus brutal auquel on ait jamais demandé de concevoir des matériaux pour, " dit Parish. " C'est pire que l'intérieur d'un moteur à réaction. "

Les chercheurs étudient l'interaction du plasma et des composants de la machine pour fabriquer des matériaux plus que adaptés à des conditions de fonctionnement aussi difficiles. La fiabilité des matériaux est un problème clé avec les technologies nucléaires actuelles et nouvelles qui a un impact significatif sur les coûts de construction et d'exploitation des centrales électriques. Il est donc essentiel de concevoir des matériaux pour la robustesse sur de longs cycles de vie.

Pour l'étude en cours, chercheurs de l'Université de Californie, San Diego, bombardé de tungstène avec du plasma d'hélium à basse énergie imitant un réacteur à fusion dans des conditions normales. Pendant ce temps, les chercheurs de l'ORNL ont utilisé l'installation de recherche sur les ions multichargés pour attaquer le tungstène avec des ions d'hélium à haute énergie imitant des conditions rares, comme une perturbation du plasma qui pourrait déposer une quantité anormalement élevée d'énergie.

En utilisant la microscopie électronique à transmission, microscopie électronique à transmission à balayage, microscopie électronique à balayage et nanocristallographie électronique, les scientifiques ont caractérisé l'évolution des bulles dans le cristal de tungstène ainsi que la forme et la croissance de structures appelées "vrilles" dans des conditions de basse et haute énergie. Ils ont envoyé les échantillons à une entreprise appelée AppFive pour la diffraction des électrons de précession, une technique avancée de cristallographie électronique, pour déduire des mécanismes de croissance dans différentes conditions.

Depuis quelques années, les scientifiques savent que le tungstène répond au plasma en formant des vrilles cristallines à l'échelle du milliardième de mètre, ou nanomètres—une sorte de petite pelouse. L'étude actuelle a découvert que les vrilles produites par un bombardement à faible énergie avaient une croissance plus lente, plus fines et plus lisses, formant un tapis de duvet plus dense, que celles créées par les agressions à plus haute énergie.

Dans les métaux, les atomes assument un arrangement structurel ordonné avec des espaces définis entre eux. Si un atome est déplacé, un site vide, ou "vacance, " reste. Si le rayonnement, comme une boule de billard, fait tomber un atome de son emplacement et laisse un vide, cet atome doit aller quelque part. Il s'entasse entre d'autres atomes dans le cristal, devenir un interstitiel.

Le fonctionnement normal du réacteur de fusion expose le divertor à un flux élevé d'atomes d'hélium de très basse énergie. "Un ion d'hélium ne frappe pas assez fort pour provoquer la collision d'une boule de billard, il doit donc se faufiler dans le treillis pour commencer à former des bulles ou d'autres défauts, " expliqua la paroisse.

Des théoriciens comme Brian Wirth, une Chaire de Gouverneur de l'UT-ORNL, ont modélisé le système et croient que le matériau qui se déplace du réseau lorsque des bulles se forment devient les éléments constitutifs des vrilles. Les atomes d'hélium errent aléatoirement autour du réseau, dit la paroisse. Ils se heurtent à d'autres héliums et unissent leurs forces. Finalement, l'amas est assez gros pour faire tomber un atome de tungstène de son site.

"Chaque fois que la bulle grandit, elle pousse quelques atomes de tungstène supplémentaires hors de leurs sites, et ils doivent aller quelque part. Ils vont être attirés par la surface, " La paroisse a dit. " Cela, nous croyons, est le mécanisme par lequel ce nanofuzz ​​se forme."

Les informaticiens exécutent des simulations sur des superordinateurs pour étudier les matériaux à leur niveau atomique, ou des échelles de taille nanométrique et de temps nanoseconde. Les ingénieurs explorent comment les matériaux se fragilisent, fissure, et se comporter autrement après une longue exposition au plasma, sur des échelles centimétriques et horaires. "Mais il y avait peu de science entre les deux, " dit la paroisse, dont l'expérience a comblé ce manque de connaissances pour étudier les premiers signes de dégradation des matériaux et les premiers stades de la croissance des nanovrilles.

Alors, le fuzz est-il bon ou mauvais ? "Le fuzz est susceptible d'avoir des propriétés à la fois néfastes et bénéfiques, mais jusqu'à ce que nous en sachions plus, nous ne pouvons pas concevoir des matériaux pour essayer d'éliminer le mauvais tout en accentuant le bon, ", a déclaré la paroisse. Du côté positif, le tungstène flou peut supporter des charges thermiques qui fissureraient le tungstène en vrac, et l'érosion est 10 fois moindre dans le tungstène flou que dans le vrac. Du côté moins, les nanovrilles peuvent se briser, formant une poussière qui peut refroidir le plasma. Le prochain objectif des scientifiques est d'apprendre comment le matériau évolue et à quel point il est facile de séparer les nanovrilles de la surface.

Les partenaires de l'ORNL ont publié de récentes expériences de microscopie électronique à balayage qui éclairent le comportement du tungstène. Une étude a montré que la croissance des vrilles ne se déroulait dans aucune orientation préférée. Une autre enquête a révélé que la réponse du tungstène faisant face au plasma au flux d'atomes d'hélium a évolué de nanofuzz ​​uniquement (à faible flux) à nanofuzz ​​plus bulles (à flux élevé).

Le titre de l'article actuel est "Morphologies des nanovrilles de tungstène cultivées sous exposition à l'hélium".