Wolfram, jeden z nejnadějnějších materiálů pro vnitřní stěny fúzních reaktorů, se v extrémním prostředí uvnitř těchto zařízení může poškozovat výrazně více, než dosud počítaly standardní modely. Vyplývá to z rozsáhlých počítačových simulací, které provedli vědci z Helsinské univerzity a jejichž výsledky publikovali v odborném časopise Physical Review Letters. Tým pod vedením prvního autora Jespera Byggmästara dokázal při výpočtech simulovat naráz miliardu atomů a odhalit tak dosud nepopsané chování materiálu při energiích, jaké panují uvnitř fúzních reaktorů.
- Simulace naznačují, že wolfram se při extrémních energiích poškozuje více, než čekaly dosavadní modely.
- Vědci dosáhli milníku – simulace jedné miliardy atomů najednou pomocí modelu strojového učení.
- Zjistili, že počet defektů ve wolframu přechází z podlineárního přes nadlineární až k lineárnímu růstu.
Neutrony vyrážejí atomy z jejich míst
Fúzní reaktory vyrábějí energii slučováním lehkých atomových jader při extrémně vysokých teplotách a bývají označovány za jednu z cest k udržitelnější výrobě elektřiny. Prostředí uvnitř těchto zařízení ale materiály obklopující rozžhavené plazma silně namáhá.
Jedním ze zdrojů poškození jsou neutrony – elektricky neutrální částice uvolňované při fúzních reakcích. Když vysokoenergetický neutron zasáhne atom, může jej vyrazit z jeho obvyklé polohy. Vyražený atom pak naráží do dalších atomů a vytlačuje je z jejich míst. Tomuto řetězovému jevu se říká primární radiační poškození. Právě jeho míru měřili finští vědci u wolframu tím, že počítali, kolik atomů se po jednom zásahu dostane mimo svou původní pozici.
Čtyři režimy poškození místo dvou
Podle Byggmästara současné modely u kovů předpokládají, že počet defektů nejprve roste podlineárně s rostoucí energií nárazu a poté lineárně. „Zjistili jsme, že u wolframu jde trend od podlineárního přes nadlineární až nakonec k lineárnímu,“ uvedl vědec. Pozorování a kvantifikace všech těchto přechodů vyžadovala atomistické simulace v bezprecedentním měřítku.
Projekt přitom začal jako snaha přizpůsobit model strojového učení tak, aby efektivně běžel na grafických procesorech (GPU). „Potom jsme si uvědomili, že můžeme spustit mnohem větší a přesnější simulace než kdy dřív,“ popsal Byggmästar. Tým využil model strojového učení, který spolehlivě reprodukuje molekulární dynamiku wolframu.
Simulace naznačují, že při přiblížení extrémně vysokým energiím, jaké panují uvnitř fúzních reaktorů, by se wolframové komponenty opotřebovávaly více, než se původně předpokládalo.
Proč na tom záleží
Wolfram patří k nejnadějnějším materiálům pro výrobu reaktorových komponent právě kvůli své odolnosti. Přesnější znalost toho, jak se poškozuje, může pomoci navrhovat robustnější a trvanlivější díly a lépe odhadovat jejich životnost i rychlost, s jakou se v čase opotřebují. Pro vývoj fúzní energetiky jde o zásadní otázku – životnost stěn reaktoru totiž patří mezi klíčové technické překážky na cestě k praktickému využití fúze.
Sami autoři zdůrazňují dvojí přínos své práce. Technicky ukázali, že přesné simulace o miliardě atomů jsou nejen proveditelné, ale i užitečné pro odhalování nové fyziky. Vědecky pak z výpočtů získali model primárního radiačního poškození wolframu, který lze využít v širším kontextu výzkumu fúzních materiálů.
Co bude dál
Aktuální práce se zaměřuje na primární radiační poškození, tedy škodu způsobenou jediným nárazem atomu. Při skutečném provozu reaktoru je ale materiál vystaven mnohem intenzivnějšímu ozáření po delší dobu, což zůstává aktivní oblastí výzkumu.
Tým nyní pracuje na dalším zpřesnění svých simulačních nástrojů a na zvětšování simulovaných systémů, aby dosáhl vyšších dávek ozáření na větších rozměrech. Vědce zajímá také vliv mikrostruktury materiálu – například různých velikostí zrn, hranic zrn a příměsových prvků. Stejný přístup by v budoucnu mohl posloužit ke zkoumání chování dalších materiálů ve vysokoenergetickém prostředí.
Myslíte si, že se fúzní energetika dočká praktického nasazení, nebo zůstane materiálová odolnost reaktorů překážkou ještě po dlouhá léta? Podělte se o svůj názor v komentářích.
