Bir yıldız Dünya’da hangi maddeleri içerebilir?

Yıldızlar için bir enerji kaynağı olarak nükleer füzyon 1920’lerde tanımlandı ve o zamandan beri bilim adamları bu süreci kontrollü bir şekilde yeniden üretme hayalini asla bırakmadılar.

Füzyon yoluyla enerji üretmek, Güneş’in Dünya’da ve bir kabın içinde yaptığı şeyi taklit etmektir. Bunu başarmanın darboğazlarından biri de bu kabın tasarımı, daha doğrusu içinde bir yıldızdan daha azını barındıramayacak malzemelerin bulunması.

Henüz var olmayan malzemeler

Bugüne kadar, bir nükleer füzyon reaktörünün duvarlarındaki aşırı ışınlama ve sıcaklık koşullarını destekleyen hiçbir şey yok ve kendimizi henüz var olmayan malzemeleri karakterize etmek için teknik sınırlamalarla buluyoruz. Bu yüzden onları icat etmeliyiz ve işe yarayıp yaramadığını öğrenmek için onları teste tabi tutmalıyız.

Bunları karakterize etmek için, bir füzyon reaktöründe beklenene benzer ışınlama koşulları altında nasıl davrandıklarını görmek için deneysel tesislere ihtiyacımız var. Devam etmekte olan IFMIF-DONES (Uluslararası Füzyon Materyalleri Işınlama Tesisi) gibi makro projelerin amacı budur.

Yeni malzemeler, henüz var olmayan ve sürece dayanabilecek malzemeler yaratmak, göz korkutucu başka bir zorluktur.

Radyasyon kaynaklı kusurlarda olduğu gibi nanometrelerden çatlakların/çatlakların ilerlemesinde olduğu gibi milimetre veya santimetreye kadar çok çeşitli boyutsal ölçeklerde meydana gelen fiziksel olayları entegre etmeliyiz. Ayrıca pikosaniyelerden günlere, aylara ve hatta yıllara kadar farklı zaman ölçeklerinde. Bu çeşitliliği test etmek için süper bilgisayarlarda çok ölçekli hesaplamalı simülasyon teknikleri kullanıyoruz.

Bilgisayar simülasyonları, füzyon için yeni malzemelerin araştırılması ve geliştirilmesi için sanal bir laboratuvardır. Bu tekniklerle gelişimi hızlandırılan açık bir örnek, nano gözenekli metallerdir.

Nano gözenekli metaller: metal bir sünger

Nano gözenekli metallerin ne kadar olduğunu hayal etmek için, görünür boyutta deliklerle dolu bir mutfak süngeri düşünelim. Aynı sünger, metalden yapılmış olsaydı ve orijinaliyle aynı boşluk/malzeme oranına sahip olsaydı, ancak her biri bir saç telinden 1000 kat daha küçük olsaydı, nano gözenekli bir metal olurdu ve bu gözeneklerin yaklaşık dörtte biri trilyona sahip olurdu.

Bu malzemelerde gözeneklerin toplam yüzey alanı bir futbol sahası alanından daha fazladır ve tamamı bir mutfak süngeri hacmindedir. Bu özelliğinde, birçok teknolojik uygulama için potansiyeli yatmaktadır.

Ve neden bununla ilgileniyoruz? Çünkü yüzeyler radyasyon kaynaklı kusurlar için lavabolardır.

Bir füzyon reaktöründeki aşırı radyasyon koşulları, malzemenin kristal kafesinde sayısız kusura neden olur. Bu kusurlar serbest bir yüzeye yakınsa, yüzeye doğru hareket eder ve malzemeden kaçar. Bu nedenle, nano gözenekli metaller teorik olarak kendi kendini iyileştirme potansiyeline sahiptir.

tungsten değerleri

IMDEA Malzeme Enstitüsü’nden, Avrupa Atom Enerjisi Topluluğu (Euratom) ve Marie Skłodowska-Curie Eylemleri (MSCA) programı tarafından finanse edilen Nanoporous Wunder ışınlama Mekaniği (MeNaWir) projesi ile füzyon malzemeleri alanına girdik.

MeNaWir’de, reaktörlerin çalışma koşulları altında metallerin davranışını simüle etmek için hesaplamalı modeller oluşturuyoruz. Böylece, bu olumsuz koşullara direnen malzemeleri değerlendirebilir ve bulabiliriz.

Bir strateji olarak, eriyen malzemelerin mekanik özelliklerinin araştırılması için çok ölçekli bir hesaplama çerçevesi seçtik ve nano gözenekli refrakter metallere, özellikle nano gözenekli tungstene odaklandık.

Tungsten, yaklaşık 3.400 derece ile tüm metaller arasında en yüksek erime noktasına sahiptir, ısıya ve aşınmaya karşı oldukça dirençlidir ve radyasyonun etkilerine en az duyarlı metallerden biridir.

Ancak ergitme uygulamalarında sert radyasyon ve sıcaklık koşullarına dayanmak için tungsten bile yeterli olmayabilir. Bu nedenle, çalışmak için önerilen şey, nano gözenekli, süngerimsi bir mikro yapıya sahip tungstendir.

Nanogözenekli tungsten, temel malzemesinin aşırı ortamlardaki mükemmel mekanik özelliklerini, radyasyonun neden olduğu tüm indüklenen kusurların yüzeyine geçişini kolaylaştıran bir nanoyapı ile birleştirecektir.

uzun vadeli etki

Füzyon reaktörleri için malzemelerin davranışını simüle etmek için hesaplama tekniklerinin geliştirilmesi, nükleer endüstri için net faydalar sağlar: gerçek koşullarda gerçekleştirilecek testlerin sayısını büyük ölçüde azaltan malzemelerin hesaplamalı seçimi ve değerlendirilmesi.

MeNaWir’de geliştirilecek hesaplama çerçevesi çok ölçekli bir temele sahiptir ve özellikle füzyon reaktörlerinin aşırı koşulları altında nano gözenekli metallerin mekanik davranışını incelemeye yöneliktir.

Bu çerçeve ile, örneğin, bu reaktörlerin koşulları için en uygun mikro yapıların bir penceresini belirlemek mümkün olacaktır. Ayrıca, bu simülasyon tekniklerinin geliştirilmesinin etkisi, örneğin IV. nesil fisyon reaktörlerinde ve küçük modüler reaktörlerde nanogözenekli metallerin incelenmesi gibi, büyük teknik ilgi ve yakın çalışma koşullarına sahip diğer durumlara da uygulanabilir.

İşe yarasaydı, Dünya’da bir yıldız barındırabilecek malzemeden daha azını bulamazdık.