Nükleer Füzyon Mıknatısları İçin Süperiletken Malzemelerde Kritik Karşılaşma: Bir Malzeme Amorf Hale Girdi, Diğeri Yapısını Korudu

Gelecekteki nükleer füzyon mıknatıslarında kullanılması düşünülen bir süperiletken malzeme, yoğun elektron radyasyonu altında amorf hale geçerken, rakip bir malzeme kristal yapısını korudu. Bu belirgin zıtlık, Bi-2212 ve Nb3Al malzemelerinin aynı koşullar altında test edildiği kontrollü bir deneyle ortaya kondu.

Bu sonuç, araştırmacılara aday süperiletkenlerin maruz kaldığı radyasyon hasarının nasıl etkilediğine dair daha net bir fikir sunuyor. Aynı zamanda, her iki malzemenin de gelecekteki nükleer füzyon reaktörleri içinde mıknatısları desteklemesi için çözülmesi gereken önemli sorulara işaret ediyor.

Aynı Radyasyon, Farklı Hasar

Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi ve Hokkaido Üniversitesi’nden araştırmacılar, süperiletken tellerden alınan ince örnekleri kullandı. Malzemelerin radyasyona maruz kaldığı sırada meydana gelen değişiklikleri gözlemlemek için yüksek voltajlı bir elektron mikroskobu kullandılar.

Her iki süperiletken de oda sıcaklığında 1250 kiloelektronvolt enerjili elektronlara ve saniyede 2,92 × 10²³ elektron/metrekare akısına maruz bırakıldı. Bu tutarlılık önemlidir çünkü radyasyon çalışmaları genellikle farklı sıcaklıklar, parçacıklar ve enerji seviyeleri kullanır. Bu farklılıklar, malzemeler arasında doğrudan karşılaştırmalar yapmayı zorlaştırabilir.

Araştırmacılar ayrıca iletim elektron mikroskopisi kullanarak biriken hasarı takip etti. Elektron difraksiyonu, kristal yapıların gelişen kusurlarla birlikte nasıl değiştiğini izlemek için başka bir yöntem sağladı.

Bi-2212, 25 dakika sonra belirgin değişiklikler göstermeye başladı. Difraksiyon deseninde zayıf bir dağınık hale de ortaya çıktı. Daha fazla düzensizlik, 35 dakika sonra ortaya çıktı. 40 dakikada, malzemenin çoğunun difraksiyon noktaları kaybolmuştu. Katmanlı yapı, 50 dakika sonra tamamen ortadan kalktı. Araştırmacılar, dağınık deseni, Bi-2212’nin tamamen amorf hale geldiğinin kanıtı olarak yorumladılar.

Nb3Al Yapısını Koruyor

Nb3Al, aynı deney sırasında dramatik derecede farklı bir yol izledi. A15 kristal yapısı, 90 dakika radyasyon altında bile görünür kaldı. Araştırmacılar, difraksiyon deseninde amorf bir hale veya karşılaştırılabilir bir nokta kaybolmasına rastlamadılar. Bu nedenle malzeme, test edilen koşullar altında uzun menzilli yapısal düzenini korudu.

Bu fark, iki süperiletkende bulunan çok farklı yapılar ve bağlardan kaynaklanabilir. Bi-2212 karmaşık bir katmanlı yapıya sahiptir ve içindeki oksijen atomları yer değiştirmeye daha yatkın olabilir.

Bu, Nb3Al’in füzyon mıknatısları için kesin bir kazanan olduğu anlamına gelmez. Deneyde oda sıcaklığında elektron radyasyonu kullanıldı, ancak bir
füzyon sisteminde beklenen düşük sıcaklıklı nötron ortamı değil.

Bu ayrım önemlidir çünkü süperiletken mıknatısların, zorlu radyasyon koşullarında güvenilir bir şekilde çalışması gerekir. Kalkanlama, nötron maruziyetini azaltabilir, ancak altta yatan sorunu ortadan kaldıramaz.

Daha Fazla Radyasyon Testi Gerekli

Araştırmacılar, bu deneyin gelecekteki radyasyon çalışmalarında kullanışlı bir temel sağladığını belirtiyor. Rekabet eden süperiletkenlerin aynı koşullar altında test edilmesi, malzemelerin kendisinden kaynaklanan farklılıkları izole etmeye yardımcı olabilir.

Bi-2212’nin, füzyonla ilgili radyasyon altında daha yakından incelenmesi gerekiyor. Araştırmacılar ayrıca hasarın, süper iletken performansı üzerinde bir etkisi olmadan toparlanıp toparlanamayacağını belirlemeli.

Isıl işlem, işlenmiş bir malzemede kristal düzeni potansiyel olarak geri yükleyebilir. Ancak büyük
mıknatıs bileşenlerine yüksek sıcaklıkta ısı uygulamak önemli mühendislik zorlukları yaratacaktır.

Gelecekteki deneylerde Bi-2212 ve Nb3Al, düşük sıcaklıklı nötronlara veya ağır iyonlara maruz bırakılabilir. Araştırmacılar ayrıca Nb3Sn dahil diğer A15 süperiletkenlerle karşılaştırma yapmayı planlıyor.

Bir sonraki adım, mikroskobik hasarı, füzyon mıknatısları için en önemli olan özelliklerle ilişkilendirmek olacak. Bunlar arasında süper iletken performans, radyasyon toleransı ve uzun vadeli mühendislik güvenilirliği yer alıyor.

Çalışma,
Originality dergisinde yayınlandı.