科学者たちは、銅が極端な熱条件下で溶融する過程が瞬時に崩壊するのではなく、徐々に進行することを発見しました。この発見は、核融合炉の材料が極端な熱負荷にどのように対処するかについての初期のコンピュータモデルの予測に挑戦するものです。この研究は『ネイチャー・コミュニケーションズ』に発表され、アメリカ合衆国エネルギー省のSLAC国立加速器研究所の研究者が主導し、いくつかの欧州の大学チームと共同で行われました。標準的な材料試験は通常、「加熱観察」の方法を用います。研究者たちは極端な熱でサンプルを攻撃し、その後冷却後に溶融した残留物を調べます。しかし、この方法では金属の水たまりしか残らず、加熱過程で徐々に発生する物理的変化を観察することはできません。
この問題を解決するために、研究チームはSLACのMeV-UED装置を使用しました。この電子カメラは、原子の動きをピコ秒（フェムト秒）、すなわち10のマイナス15乗秒まで正確に追跡することができます。
銅の超加熱限界における溶融過程は予測と異なる
研究者たちは、薄い銅膜をレーザーで加熱して急速な温度上昇を引き起こしました。「彼らはレーザー熱で薄い銅膜を攻撃し、加熱中のサンプルをイメージングするために電子ビームを送信しました」とSLACのプレスリリースに記載されています。「彼らが見たものは驚くべきものでした。」超加熱限界での予測に反する結果は、過去のコンピュータモデルの予測と異なり、急速な加熱過程中に銅が非常に異なる結果を示すことを示しました。これらのシミュレーションによれば、サンプルは約1,085°C（1,985°F）で表面が溶融し始めるとされています。「温度が上昇するにつれて、サンプルの側面とエッジは溶融し続け、より高い圧力の影響を受ける中央領域は、より長い間その格子構造を保持します」とプレスリリースは説明しています。
これらのシミュレーションは、コアが約1,424°C（2595.2°F）に達すると、残りの結晶構造が突然液体に崩壊することを示しています。この点は銅の超加熱限界と呼ばれています。
研究結果は融合エネルギーの発展を推進する
しかし、リアルタイムの映像は、銅が超加熱限界を超えても格子の秩序を保持し、安定して溶融していることを示しました。実験では、予溶融現象も検出され、原子の無秩序がナノスケールの結晶粒界で形成されることが確認されました。このプロセスは、金属がその標準的な融点に達する前に発生します。チームは、なぜ初期のコンピュータシミュレーションが実験結果と一致しなかったのかを発見しました。コンピュータモデルは通常、複雑な原子計算を管理するために仮定を使用します。「この場合、既存のシミュレーションは、溶融する銅が静的条件に直面し、周囲の均一な圧力が原子を固定していると仮定していました」と研究者たちは指摘しています。
核融合エネルギーの応用のためにシミュレーションを精緻化するために、実験は動的圧力条件を含んでいます。これらの動的条件により、銅原子はリラックスし、移動することができ、超加熱限界で構造を秩序あるものに保つのに役立ちます。科学者たちがこれらの動的条件をコンピュータ計算に組み込むと、シミュレーション結果は実験データと一致しました。「これは、モデル化能力とその予測能力の大きな向上です」と高エネルギー密度科学部門のディレクター、シーグフリード・グレンザーは述べています。「私たちは、これらの現象を観察する精度と解像度を示し、この技術がこれらの超高速、超小型の動態を明らかにする優れた能力を持っていることを示しました。
これらの発見は、将来の融合発電所の発展を直接サポートします。融合炉は、星のエネルギー過程を再現することを目的としています。コアのプラズマ温度は数億度に達しますが、反応腔の周囲のコンポーネントは、宇宙船が地球の大気圏に突入する際の突発的な極端な熱を耐えなければなりません。
エンジニアは、コンピュータモデルと人工知能を使用して、これらの過酷な環境に適した材料を選定しています。「銅の挙動に対するより深い理解は、彼らが銅合金のより複雑な動態とその融合システムにおける熱の吸収能力を研究することを促進するでしょう」とプレスリリースの最後に記載されています。SLACが主導するチームは、現在、バランスの取れた圧力条件下で銅をテストする計画を立てており、彼らの電子イメージング手法を使用して、より複雑な銅合金を研究する予定です。