Un reactor de fusión es esencialmente una botella magnética que contiene los mismos procesos que ocurren en el sol. Los combustibles de deuterio y tritio se fusionan para formar un vapor de iones de helio, neutrones y calor. A medida que este gas ionizado caliente, llamado plasma, se quema, ese calor se transfiere al agua para generar vapor y hacer girar las turbinas que generan electricidad. El plasma sobrecalentado representa una amenaza constante para la pared del reactor y el desviador que elimina los desechos del reactor en funcionamiento para mantener el plasma lo suficientemente caliente como para quemar.
"Estamos tratando de determinar el comportamiento fundamental de los materiales con revestimiento de plasma con el objetivo de comprender mejor los mecanismos de degradación para poder diseñar nuevos materiales robustos", dijo el científico de materiales Chad Parish del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía.Es autor principal de un estudio en la revista Informes científicos que exploró la degradación de tungsteno en condiciones relevantes para el reactor.
Debido a que el tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, es un candidato para materiales con revestimiento de plasma. Sin embargo, debido a su fragilidad, una central eléctrica comercial probablemente estaría hecha de una aleación o compuesto de tungsteno.cómo el bombardeo atómico enérgico afecta al tungsteno microscópicamente ayuda a los ingenieros a mejorar los materiales nucleares.
"Dentro de una planta de energía de fusión es el entorno más brutal al que se les ha pedido a los ingenieros que diseñen materiales", dijo Parish. "Es peor que el interior de un motor a reacción".
Los investigadores están estudiando la interacción del plasma y los componentes de la máquina para hacer materiales que sean más que aptos para condiciones de operación tan duras. La confiabilidad de los materiales es un tema clave con las tecnologías nucleares actuales y nuevas que tiene un impacto significativo en los costos de construcción y operación deplantas de energía. Por lo tanto, es fundamental diseñar materiales para la resistencia durante largos ciclos de vida.
Para el estudio actual, los investigadores de la Universidad de California, San Diego, bombardearon tungsteno con plasma de helio a baja energía imitando un reactor de fusión en condiciones normales. Mientras tanto, los investigadores de ORNL utilizaron el Centro de Investigación de Iones Multicargados para atacar tungsteno coniones de helio de energía que emulan condiciones raras, como una interrupción del plasma que podría depositar una cantidad anormalmente grande de energía.
Utilizando microscopía electrónica de transmisión, microscopía electrónica de transmisión de barrido, microscopía electrónica de barrido y nanocristalografía electrónica, los científicos caracterizaron la evolución de las burbujas en el cristal de tungsteno y la forma y el crecimiento de estructuras llamadas "zarcillos" en condiciones de baja y alta energía.Enviaron las muestras a una empresa llamada AppFive para la difracción electrónica previa, una técnica avanzada de cristalografía electrónica, para inferir los mecanismos de crecimiento en diferentes condiciones.
Durante algunos años, los científicos han sabido que el tungsteno responde al plasma formando zarcillos cristalinos en la escala de milmillonésimas de metro, o nanómetros, una especie de césped diminuto. El estudio actual descubrió que los zarcillos producidos por bombardeos de baja energía erancrecimiento más lento, más fino y más suave, formando una alfombra de pelusa más densa que las creadas por el asalto de mayor energía.
En los metales, los átomos asumen una disposición estructural ordenada con espacios definidos entre ellos. Si se desplaza un átomo, queda un sitio vacío o "vacante". Si la radiación, como una bola de billar, golpea un átomo fuera de su sitio ydeja una vacante, ese átomo tiene que ir a algún lado. Se enreda entre otros átomos en el cristal, convirtiéndose en un intersticial.
La operación normal del reactor de fusión expone el desviador a un flujo alto de átomos de helio de muy baja energía. "Un ion de helio no está golpeando lo suficientemente fuerte como para hacer la colisión de la bola de billar, por lo que tiene que colarse en la red para comenzar a formarseburbujas u otros defectos ", explicó Parish.
Los teóricos como Brian Wirth, presidente del gobernador de UT-ORNL, han modelado el sistema y creen que el material que se desplaza de la red cuando las burbujas se convierten en los bloques de construcción de los zarcillos. Los átomos de helio deambulan por la red al azar, dijo Parish.toparse con otros helios y unir fuerzas. Finalmente, el grupo es lo suficientemente grande como para derribar un átomo de tungsteno de su sitio.
"Cada vez que la burbuja crece, empuja un par más de átomos de tungsteno fuera de sus sitios, y tienen que ir a algún lado. Van a ser atraídos a la superficie", dijo Parish. "Eso, creemos, es elmecanismo por el cual se forma este nanofuzz ".
Los científicos computacionales realizan simulaciones en supercomputadoras para estudiar materiales a su nivel atómico, o escalas de nanómetros y nanosegundos de tiempo. Los ingenieros exploran cómo los materiales se fragilizan, agrietan y de otra manera se comportan después de una larga exposición al plasma, en escalas de centímetros y horas ".Pero había poca ciencia en el medio ", dijo Parish, cuyo experimento llenó esta brecha de conocimiento para estudiar los primeros signos de degradación del material y las primeras etapas del crecimiento de nanotendril".
¿Entonces la pelusa es buena o mala? "Es probable que la pelusa tenga propiedades perjudiciales y beneficiosas, pero hasta que sepamos más al respecto, no podemos diseñar materiales para tratar de eliminar lo malo mientras acentuamos lo bueno", dijo Parish.En el lado positivo, el tungsteno difuso podría soportar cargas de calor que agrietarían el tungsteno a granel, y la erosión es 10 veces menos difusa que el tungsteno a granel. En el lado negativo, los nanotendriles pueden desprenderse y formar un polvo que puede enfriar el plasma.El siguiente objetivo es aprender cómo evoluciona el material y qué tan fácil es separar los nanotendriles de la superficie.
Los socios de ORNL publicaron recientes experimentos de microscopía electrónica de barrido que iluminan el comportamiento del tungsteno. Un estudio mostró que el crecimiento del zarcillo no avanzó en ninguna orientación preferida. Otra investigación reveló que la respuesta del tungsteno orientado al plasma al flujo del átomo de helio evolucionó solo de nanofuzz aflujo bajo a nanofuzz más burbujas a flujo alto.
El título del artículo actual es "Morfologías de nanotendriles de tungsteno cultivados bajo exposición al helio".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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