Bakırın şaşırtıcı erime davranışı gelecekteki füzyon tasarımına dair fikir veriyor

Gelecekteki füzyon enerji santralleri, gelecekteki enerji ihtiyaçlarımıza güç sağlamak için burada, Dünya’daki bir yıldızın kalbini yeniden yaratmayı amaçlıyor. Çekirdek füzyon plazması yüz milyonlarca derecede yanarken, çevredeki yapısal bileşenler, uzay aracının Dünya atmosferine yeniden girdiğinde karşılaştığı aşırı sıcaklıklarla rekabet edebilecek ani, cezalandırıcı ısı yükleriyle başa çıkmak zorunda kalacak. Bakır ve alaşımları, bu yoğun ısı dalgalanmalarıyla başa çıkmak için birincil adaylardır; bu da metalin erime noktasına itildiğinde nasıl davrandığını tam olarak anlamayı hayati hale getirir.

Şimdi, Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar ve işbirlikçileri, aşırı ısınmaya maruz kalan bakır atomlarına ayrıntılı, adım adım bir bakış yakaladılar. Yayınlandığı yer Doğa İletişimiSonuçlar, daha önceki simülasyonların öngördüğü gibi, bakırın kristal kafesinin anında çökmek yerine istikrarlı bir şekilde erimesine izin veren önemli bir parametreyi ortaya çıkardı.

Araştırmayı yöneten SLAC ekibinden bilim adamı Mianzhen Mo, “Bu sonuçlar, gelecekteki füzyon reaksiyon odalarının zorlu koşullarında hayatta kalma konusunda hangi malzemelerin en iyi şansa sahip olduğunu tahmin etmek için kullandığımız simülasyonları büyük ölçüde geliştiriyor” dedi. “Aynı zamanda SLAC’ın elektron kamerasında elde edebileceğimiz inanılmaz, atomik ölçekte çözünürlüklü görüntülemeyi de gösteriyorlar.”

Erime noktalarının ötesinde

Esnek malzeme arayışında malzemenin eridiği sıcaklığı bilmek yeterli değildir. Gelecekteki füzyon enerjisi odalarındaki malzemeler geçici termal ısınmaya maruz kalacak; atomik bağları sınıra kadar zorlayan, alttaki kristal yapılar boyunca enerji akışını aşırı yükleyen ve normalde iyi anlaşılan malzemelerin alışılmadık şekillerde davranmasına neden olan hızlı bir kavurma.

Araştırmacılar, sayısız öğe kombinasyonunu incelemek ve gerçek dünya testleri için umut verici aday malzemeleri belirlemek için yapay zeka ve makine öğreniminin desteklediği bilgisayar simülasyonlarını kullanıyor. Son yıllarda Mo’nun grubu, füzyon odaları için potansiyel bir malzeme olarak işaretlendikten sonra tungstenin özelliklerini araştırdı. Önde gelen modeller, bakır alaşımlarının, füzyon reaksiyonlarına daha yakın malzemelerden ısıyı emerek füzyon sistemlerini soğutan “ısı emici” malzemeler olarak hizmet edebileceğini öne sürüyor.

Mo’nun ekibi saf bakır örneğiyle başlayarak daha yakından incelemeye karar verdi.

Bakırın gerçek zamanlı erimesini izlemek

Füzyon odası adayı malzemelerin dayanıklılığını test etmek için araştırmacılar genellikle “pişir ve bak” yaklaşımını kullanır; önce örnek bir malzemeyi aşırı ısıyla zaplar, ardından tamamen pişmiş olanı inceler. Bakır ister yavaş yavaş eriyor, ister aniden çöküyor, araştırmacılar baktığında numunenin metalik kahverengi bir su birikintisinden başka bir şeye benzemediğini gördüler.

Mo, “Eritme sürecine zamanla çözülmüş, adım adım bir bakışa ihtiyacımız vardı” dedi.

Ekip, örneklerini SLAC’ın atomik ve moleküler hareketleri femtosaniyeye (saniyenin milyarda birinin milyonda biri) kadar yakalayan güçlü elektron kamerası MeV-UED’ye getirdi. İnce bir bakır filmi lazer ısısıyla patlattılar, ardından ısınırken numuneyi görüntülemek için bir elektron ışını gönderdiler. Gördükleri onları şaşırttı.

Simülasyonlar, ultra hızlı ısıtma sırasında bakır numunesinin yaklaşık 1.085°C’de (1.985°F) yüzeyleri boyunca erimeye başlayacağını öngörmüştü. Yanlar ve kenarlar sıcaklık arttıkça erimeye devam ederken, numunenin daha yüksek basınca maruz kalan merkezi alanı kristal kafes yapısını daha uzun süre koruyacaktır. Bununla birlikte, erime sıcaklığının ve bakırın aşırı ısınma sınırının yaklaşık 1,25 katı olan 1,424°C (2,595°F) civarına ulaşıldığında, geri kalan kristal kafesin anında tamamen düzensiz bir sıvıya dönüşmesi bekleniyordu.

Araştırmacılar, tahmin edilen çöküş yerine sıcaklık aşırı ısınma sınırının üzerine çıksa bile kademeli bir erime gördüler. Bakır kaderinden kaçmayı başarmıştı. Ekip artık bunun nedenini bildiklerini düşünüyor.

Varsayımların test edilmesi

Araştırmacılar atomik ve moleküler davranışı tahmin eden bilgisayar simülasyonları oluştururken çok büyük bir karmaşıklıkla karşı karşıya kalırlar. Her değişkenin yakalanması hesaplama açısından pahalı olduğundan ve bazı olgular yeterince anlaşılmadığından, bilinçli varsayımlarda bulunulmalıdır. Bu varsayımlar problem çözmeyi hızlandırabilirken, bazen yaklaşık bir tahmin yanlış tahminlere yol açabilir.

Bu durumda mevcut simülasyonlar, eriyen bakırın statik koşullarla karşı karşıya kalacağını, her tarafta eşit basınçla atomların yerinde sabit tutulacağını varsaymıştı. Ancak gerçek dünyadaki deneysel basınç koşulları çok daha dinamikti; atomların gevşemesine, yer değiştirmesine ve aşırı ısınma sınırının ötesinde bile bir miktar düzeni korumasına olanak tanıyordu. Ekip, bu ek parametreleri bilgisayar simülasyonlarına entegre ederek bakır atomlarının deneysel davranışını kopyalamayı başardı.

Mo, “Bu basit bir çözüm, ancak moleküler dinamik simülasyonları yıllardır bunu gözden kaçırıyordu” dedi. “Gerçekliğin her yönünü tek tek atomlara kadar yakalamaya çalışan karmaşık simülasyonlarınız olduğunda, hesaplamalarda neyin eksik olduğunu size göstermek için gerçek dünya verileri gerekir.”

SLAC’ta foton bilimi profesörü ve makalenin kıdemli yazarı Yüksek Enerji Yoğunluğu Bilimi bölümü yöneticisi Siegfried Glenzer, “Bu, modelleme yeteneklerinde ve ileriye dönük tahmin gücünde büyük bir gelişmedir” dedi. “Bu şeyleri görebildiğimiz hassasiyet ve çözünürlük, bu tekniğin bu ultra hızlı, ultra küçük dinamikleri ortaya çıkarmada ne kadar dikkat çekici olduğunu gösteriyor.”

Deney ayrıca, ultra hızlı ısıtma senaryolarında bakırın, sistem standart erime noktasına ulaşmadan önce nano boyutlu tanelerin yüzeylerinde ve aralarındaki sınırlarda düzensizliğin ortaya çıktığı, ön erime adı verilen bir olgunun işaretlerini gösterdiğini ortaya çıkardı.

Grup daha sonra, bakır üzerindeki iç ve dış basıncın dengede olduğu hidrostatik koşulların simülasyonların öngördüğü gibi bakırın aşırı ısınma sınırında çökmesine neden olup olmayacağını araştırmayı umuyor. Bakırın davranışını daha iyi anlayarak, bakır alaşımlarının daha karmaşık dinamiklerini ve füzyon sistemlerinde ısıyı absorbe etme potansiyellerini incelemeyi planlıyorlar.