Deuterium Inventory in Tungsten After Plasma Exposure: A Microstructural Survey

Tungsten is a promising material for armouring the plasma-facing wall of future nuclear fusion experiments and power plants. It has a very high melting point, good thermal conductivity and is highly resistant against physical sputtering by energetic particles from the plasma. It also has a very low solubility for hydrogen isotopes. This is important both for safety and also for economic reasons, in particular with regard to the radioactive fusion fuel tritium. Due to this low solubility, the retention of hydrogen isotopes in tungsten materials after exposure to a plasma is dominated by the trapping of hydrogen isotopes at tungsten lattice defects. Therefore, a strong dependence of the hydrogen isotope retention on the microstructure of the tungsten is to be expected. This work describes a survey study of tungsten with different microstructures exposed to deuterium plasmas under a wide range of different plasma exposure conditions. The isotope deuterium was used because its natural abundance is much smaller than that of hydrogen (i.e., 1H). This allows detecting even very small amounts retained in the tungsten practically without background signal. Furthermore, the use of deuterium allows utilising the nuclear reaction 2D(3He,p)4He for depth-resolved quantification of the deuterium inventory up to depths of several microns. In order to standardise the specimens as far as possible, they were all cut from the same initial material from a single manufacturing batch. After a chemo-mechanical polishing procedure, which produces a well-defined surface, the specimens were annealed at either of four different temperatures in order to modify the grain structure and the dislocation density. These were then characterised by scanning electron microscopy and scanning transmission electron microscopy. The specimens were subsequently exposed in a fully characterised deuterium plasma source at different specimen temperatures, ion energies and deuterium fluences. In addition to highly reproducible exposure conditions, exposing all four types of specimens to the plasma simultaneously ensured that their retention behaviour could be directly compared. After two months of storage in a vacuum exsiccator, the long-term deuterium inventory of the specimens was analysed by depth-resolved nuclear reaction analysis and thermal desorption spectroscopy. Modifications of the specimen surfaces, in particular the formation of subsurface cracks and gas-filled subsurface cavities called blisters, were studied by a variety of optical and electron microscopy techniques, including in situ cross-sectioning with a focused ion beam. This extensive survey allowed finding a clear correlation between the initial dislocation density of the material and the observed deuterium retention, whereas the grain size, and therefore the density of grain boundaries, appeared to play a minor role. The binding energy of the dominant binding site, which is consequently assigned to dislocations, was determined by a detailed thermal desorption spectroscopy study of the specimen type with the highest dislocation density. It was also shown that defects capable of trapping significant amounts of deuterium can be produced during plasma exposure. Within the ion range of several nanometres, the tungsten surface is practically amorphised, which leads to observed local deuterium concentrations in the per cent range. Far beyond the ion range, blisters and cracks do not only retain deuterium in the form of molecular gas, but also produce a high density of defects in the surrounding tungsten lattice, most likely dislocations emitted near crack tips. A one-dimensional rate equation model was adapted to include these defect production mechanisms by an empirical term. By that, it was able to reproduce the fluence dependence of the deuterium retention as well as the shift of the main desorption peak for varying heating rates during thermal desorption spectroscopy.Wolfram ist ein vielversprechendes Material, um die erste Wand in zukünftigen Kernfusionsexperimenten und –reaktoren auszurüsten. Es besitzt einen hohen Schmelzpunkt, gute Wärmeleitfähigkeit und ist widerstandsfähig gegen physikalische Zerstäubung durch energiereiche Teilchen aus dem Plasma. Ebenfalls besitzt es eine sehr geringe Löslichkeit für Wasserstoffisotope. Dies ist sowohl aus Gründen der Sicherheit als auch der Wirtschaftlichkeit, insbesondere in Bezug auf den radioaktiven Fusionsbrennstoff Tritium, wichtig. Aufgrund dieser geringen Löslichkeit ist die Rückhaltung von Wasserstoffisotopen in Wolframmaterialien nach Bestrahlung mit einem Plasma von der Bindung der Wasserstoffisotope an Gitterdefekte im Wolfram dominiert. Deshalb ist ein starker Einfluss der Mikrostruktur des Wolframs auf dessen Rückhaltevermögen für Wasserstoffisotope zu erwarten. Diese Arbeit beschreibt eine Studie von Wolfram mit verschiedenen Mikrostrukturen, das Deuteriumplasmen unter einer Vielzahl verschiedener Bedingungen ausgesetzt wurde. Das Isotop Deuterium wurde eingesetzt, da seine natürliche Häufigkeit sehr viel kleiner ist als die von Wasserstoff (d.h., 1H). Dadurch lassen sich selbst kleinste rückgehaltene Mengen nahezu untergrundfrei nachweisen. Zudem erlaubt die Verwendung von Deuterium den Einsatz der Kernreaktion 2D(3He,p)4He zur tiefenaufgelösten Quantifizierung des Deuteriuminventars bis zu Tiefen von einigen Mikrometern. Um die Wolframproben so weit wie möglich zu standardisieren, wurden alle aus dem gleichen Material aus einer einzigen Fertigungscharge hergestellt. Nach einem chemo-mechanischen Politurprozess, der eine wohldefinierte Oberfläche produziert, wurden die Proben bei vier verschiedenen Temperaturen wärmebehandelt, um die Kornstruktur und die Versetzungsdichte zu verändern. Diese wurden dann durch Rasterelektronenmikroskopie und Raster-Transmissionselektronenmikroskopie charakterisiert. Die Proben wurden anschließend in einer vollständig charakterisierten Deuterium-Plasmaquelle bei verschiedenen Probentemperaturen, Ionenenergien und Deuteriumfluenzen exponiert. Zusätzlich zur guten Reproduzierbarkeit der Plasmabedingungen wurden jeweils alle vier Probentypen gleichzeitig dem Plasma ausgesetzt. Dies stellte sicher, dass ihr Rückhalteverhalten für Deuterium stets direkt vergleichbar war. Nach zweimonatiger Lagerung in einem Vakuum-Exsikkator wurde das langfristige Deuteriuminventar der Proben mittels tiefenaufgelöster Kernreaktionsanalyse und anschließend mit thermischer Desorptionsspektroskopie untersucht. Veränderungen der Probenoberfläche, insbesondere die Bildung von oberflächennahen Rissen und gasgefüllten Hohlräumen, sogenannten "Blistern", wurde mit Licht- und Elektronenmikroskopie untersucht. Dies wurde durch in-situ-Präparation von Querschnitten mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls unterstützt. Diese breit angelegte Studie erlaubte es, eine deutliche Korrelation zwischen der ursprünglichen Versetzungsdichte des jeweiligen Materials und der beobachteten Deuteriumrückhaltung nachzuweisen. Die Korngröße, und damit die Korngrenzendichte, schien dagegen eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Bindungsenergie des dominanten Bindungsplatzes, die entsprechend Versetzungen zugeordnet wird, wurde in einer ausführlichen Thermodesorptionsstudie des Probentyps mit der größten Versetzungsdichte bestimmt. Des Weiteren wurde gezeigt, dass während der Plasmaexposition Defekte produziert werden können, die signifikante Mengen an Deuterium binden können. Innerhalb der Ionenreichweite von einigen Nanometern wird die Wolframoberfläche praktisch amorphisiert, was zu beobachteten lokalen Deuteriumkonzentrationen im Prozentbereich führt. Weit jenseits der Ionenreichweite beinhalten Blister und Risse nicht nur Deuterium als molekulares Gas, sondern produzieren im umgebenden Wolframgitter auch eine hohe Dichte an Defekten, höchstwahrscheinlich Versetzungen, die an Rissspitzen emittiert werden. Ein eindimensionales Ratengleichungsmodell wurde so angepasst, dass es über einen empirischen Term diese Mechanismen der Defektproduktion berücksichtigt. Damit war es in der Lage, sowohl die beobachtete Fluenzabhängigkeit als auch die Verschiebung des Haupt-Desorptionsmaximums für unterschiedliche Heizraten während der thermischen Desorptionsspektroskopie zu reproduzieren