Study of the vacancy-type defects formation in tungsten crystal from helium accumulation

Le tungstène sera soumis à des conditions extrêmes de température et de bombardement de particules en tant que paroi des cibles du divertor dans le réacteur de fusion nucléaire ITER. De hauts flux d’ions légers impacteront la surface du tungstène et sont susceptibles de générer des défauts dans le cristal. Cette étude vise à étudier les premières étapes de la formation des défauts lacunaires dans le cristal de tungstène soumis à un faible flux d’ions de faible énergie afin de comprendre le rôle de l’accumulation de l’hélium, un des produits de la réaction de fusion du deutérium et du tritium. Pour cette étude, une source plasma ICP-RF a été développée et qualifiée afin de réaliser des implantations d’hélium dans des conditions parfaitement contrôlées. Les implantations d’hélium ont été réalisées pour plusieurs conditions de fluence, d’énergie et de température, sur des échantillons de tungstène polycristallins. La spectroscopie d’annihilation des positons a été utilisée pour caractériser les défauts lacunaires, les analyses par réactions nucléaires, pour quantifier l’hélium implanté et la spectrométrie de thermodésorption pour caractériser les interactions de l’hélium dans le cristal. Les résultats montrent que pour une énergie de 320 eV à température ambiante, une fluence incidente limite est atteinte à partir de laquelle une saturation de l’hélium implanté apparaît et la formation de lacunes de grande taille débute. L’étude de l’influence de l’énergie et de la température montre l’importance de la répartition de l’hélium en profondeur et de sa mobilité dans le cristal sur la taille et la diversité des défauts formés. Les implantations sont simulées par dynamique moléculaire. Les résultats obtenus par l’approche numérique sont comparés aux résultats expérimentaux afin de mieux comprendre les mécanismes élémentaires mis en jeu.Tungsten will be exposed to severe plasma conditions such as high temperature and high particle bombardment as a target of the divertor in the nuclear fusion reactor ITER. High fluxes of light ions will impact its surface and can generate defects in the crystal. This study means to observe the first steps of the vacancy-type defects formation in the tungsten crystal subject to low ion flux of low kinetic energy in order to understand the influence of the accumulation of helium, one of the nuclear reaction products. For the experiments, an ICP-RF plasma source was developed and characterized to perform helium implantations under perfectly controlled conditions. Helium implantations were performed under various conditions of fluence, energy and substrate temperature on polycrystalline tungsten samples. Positron annihilation spectroscopy was used to characterize vacancy-type defects, nuclear reaction analysis to quantify implanted helium and thermal desorption spectrometry to characterize the interactions of helium in the crystal. Results show that, for a kinetic energy of 320 eV and at room temperature, a saturation of the helium implanted quantity is reached for a limit incident fluence and that large vacancy defects starts to form. Study of the kinetic energy and the surface temperature influences show the importance of the depth distribution and the mobility of the helium in the crystal on the size and the diversity of the generated defects. Implantations are performed by molecular dynamic simulations. Results obtained by the numerical approach are compared to experimental ones in order to get a better understanding of the atomic scale mechanisms