ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, № 3, с. 34-38
УДК 621.039
АНАЛИЗ ПОВЕРХНОСТИ ВОЛЬФРАМА ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ БЫСТРЫМИ ИОНАМИ И ДЕЙТЕРИЕВОЙ ПЛАЗМОЙ
© 2014 г. Б. И. Хрипунов1, В. М. Гуреев1, 2, Л. С. Данелян1, В. В. Затекин2, В. С. Койдан1, В. С. Куликаускас2, С. Т. Латушкин1, В. Б. Петров1, А. И. Рязанов1, В. Н. Унежев1
НИЦ "Курчатовский институт", Москва, Россия 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына,
Москва, Россия Поступила в редакцию 17.07.2013 г.
Рассмотрены эффекты, связанные с воздействием на поверхность вольфрама быстрых ионов с энергией порядка нескольких МэВ и больших потоков водородной (дейтериевой) плазмы, результатом которых являются радиационное повреждение поверхностного слоя материала, его эрозия и накопление в нем изотопов водорода. Облучение ионами гелия 4Не2+ (3.2—4.0 МэВ) и углерода 12С3+ (10 МэВ) проводилось на циклотроне НИЦ КИ, толщина поврежденного слоя составила 3.5—6 мкм. Образцы облученного материала экспонировались в стационарной дейтериевой плазме на установке ЛЕНТА с достижением флуенса ионов дейтерия 1021—1022 см-2. При энергии плазменных ионов 250 эВ исследована эрозия поверхности и модификация структуры поврежденного поверхностного слоя. Методом регистрации ядер отдачи изучено накопление изотопа водорода в поврежденном поверхностном слое. Определена концентрация дейтерия и глубина его проникновения в материал. Проведено сравнение данных для различных сортов ионов, использованных при облучении.
БО1: 10.7868/80207352814030159
ВВЕДЕНИЕ
В термоядерном реакторе материалы, контактирующие с плазмой, подвергаются мощным потокам тепла, частиц и облучению нейтронами с энергией 14 МэВ (в процессе ЭТ-синтеза). Все эти факторы чрезвычайно важны с точки зрения срока службы компонентов реактора. При длительной работе термоядерного реактора быстрые нейтроны производят в материалах радиационные повреждения высокого уровня (оценочное значение достигает сотен смещений на атом (сна)). Выбор материалов покрытия для камеры реактора в настоящее время сузился до материалов на основе бериллия, углерода и вольфрама. На сегодняшний день, исходя из перспективы развития, основная масса экспериментальных исследований сосредоточена на вольфраме как кандидатном материале для первой стенки термоядерного реактора.
В основе данной работы лежит развитие нового экспериментального метода исследования, ставящего целью учесть влияние радиационных повреждений на эффекты, связанные с действием плазмы на поверхность материала. В данной работе приведены результаты исследования микроструктуры поверхности и накопления изотопов водорода в вольфраме W 99.99 мас. % с высоким уровнем радиационных повреждений при его экспозиции в дейтериевой плазме. Данный материал по составу аналогичен материалу, который применяется в настоящее время в крупных тер-
моядерных установках типа "токамак" и является кандидатным материалом для дивертора международного реактора ИТЭР. Нейтронный фактор моделируется путем получения радиационных повреждений при облучении материала тяжелыми ионами гелия и углерода, ускоренными до высоких энергий — порядка нескольких МэВ. Исследование взаимодействия плазмы с радиацион-но-поврежденным вольфрамом проводили на плазменной установке с аксиальным магнитным полем ЛЕНТА, которая обеспечивает получение стационарных плазменных потоков с параметрами, соответствующими пристеночному слою то-камака и дивертору реактора ИТЭР.
ЭРОЗИЯ РАДИАЦИОННО-ПОВРЕЖДЕННОГО ВОЛЬФРАМА В ПЛАЗМЕ
Если ранее были исследованы материалы на основе углерода [1], то в данной работе исследуется вольфрам, поверхностный слой которого отвечает высокому уровню радиационных повреждений (до 50 сна и более). Такие уровни могут быть характерны для термоядерного реактора-токама-ка типа ДЕМО при его непрерывной работе в течение многих лет (для реактора ИТЭР эти уровни соответствуют 2—3 сна [2]).
Исследование эрозии радиационно-повре-жденного вольфрама в плазме проводилось с учетом следующих факторов. Взаимодействие ускоренных ионов, использованных для создания ра-
диационных повреждении в материале, приводит к повреждению его структуры в поверхностном слое [3], толщина которого соответствует пробегу ионов данного вида в материале, причем концентрация радиационных повреждении распределена неравномерно, и максимум распределения находится на глубине пробега ионов. На данном этапе были получены образцы вольфрама с радиационными повреждениями в слое, толщина которого составляет около 5 мкм. Образцы такого материала получены при облучении вольфрама ионами гелия 4Не2+ с энергией 3.5—4.0 МэВ [1, 4, 5]. Значения дозы ускоренных ионов Не на поверхности образцов находились в диапазоне от 1017 см-2 до 1019 см-2 , а уровень первичных радиационных повреждений в поверхностном слое этих образцов составил в итоге от 1 до 600 сна.
Чтобы исследовать изменение свойств поврежденного слоя под воздействием плазмы, была применена методика последовательной экспозиции облученных образцов в плазме. При этом в результате экспозиции на каждом этапе возникала эрозия материала, проникая на глубину части поврежденного слоя, и она составляла от 0.5 до 1.5 мкм [4, 5]. Таким образом, после нескольких экспозиций в плазме наблюдалась эрозия всего поврежденного слоя и прослеживалась связь показателей эрозии и изменений структуры поверхности с уровнем радиационного повреждения соответствующего слоя.
Ниже приводятся результаты серии плазменных экспериментов, выполненных на образце вольфрама с радиационным повреждением до 80 сна (Ф = 3 х 1018 см-2, 3.5 МэВ). На рис. 1 показана поверхность образца после его облучения на ускорителе, фотография получена на растровом электронном микроскопе. Облученная поверхность имеет различные участки. На части поверхности не произошли заметные изменения структуры, другая часть значительно изменилась: на ней наблюдалось вспучивание, т.е. отделение некоторого слоя от массива материала. Кроме того, на поверхности образовались разрывы этого слоя, толщина которого, как показало исследование, составила около 5 мкм, что соответствовало толщине полученного радиационно-поврежденного слоя.
Такие изменения объясняются накоплением значительного количества гелия и характером распределения радиационных повреждений в поверхностном слое материала (рис. 2). На рисунке показано расчетное распределение первичных радиационных повреждений в вольфраме для данного образца с указанными выше параметрами облучения ускоренными ионами 4Не2+: Бтах = 81 сна; около облучаемой поверхности БтЬ = 2.7 сна. (Б) = 12 сна при усреднении по всему поврежденному слою.
Профиль распределения концентрации имплантированного в вольфрам гелия, определенный
Рис. 1. Поверхность вольфрама после облучения
ионами гелия с энергией 3.5 МэВ. Полный поток Г 18 _2
ионов гелия Ф = 3 х 10 см 2.
Б, сна 80
60
40 -
20 -
0 1 2 3 4 5 6 7 Расстояние, 104 А
Рис. 2. Профиль распределения первичных радиационных дефектов Б (вакансий на атом) в вольфраме при облучении его ионами гелия с энергией 4 МэВ. Полный поток ионов гелия Ф =
3 х 1018 см_
экспериментально с помощью методики обратного неупругого ядерного рассеяния [4, 6, 7] (протоны с энергией 7.4 МэВ), соответствует результатам приведенного расчетного распределения с учетом диффузии накопленных радиационных повреждений. Результаты измерения концентрации гелия 3.5 МэВ в двух облученных вольфрамовых образцах с дозами Ф = 3 х 1018 см-2 и 1019 см-2 показали, что концентрация гелия достигает высоких значений (6-8 ат. %) в слое, залегающем на глубине от 3 до 6 мкм, при ширине пика около 2 мкм.
Накопление значительного количества атомов гелия в поверхностном слое, как показывает дан-
0
Экспозиция образца вольфрама, облученного ионами гелия (Ф = 3 х 1018 см-2, 3.5 МэВ), в дейтериевой плазме
Номер экспозиции Флуенс плазменных ионов, 1021 см-2 Глубина эрозии, мкм
1 0.9 ОЛЗ
2 1.8 0.3
3 2J 1..
4 2.. П
5 1.. 0.
6 1.. 1..
£ 10.4 5.4
ное исследование, оказывает большое влияние на процесс эрозии и изменение микроструктуры поверхности облученного материала.
Рассматриваемый образец был подвергнут шестикратной экспозиции в стационарной дейтериевой плазме на установке ЛЕНТА. Экспозиция осуществлялась при следующих параметрах: поток ионов дейтерия на поверхность j = (2-3) х х 1017 см-2 • с-1; плотность плазмы Ne = 2 х 1012 см-3, температура электронов 6-8 эВ. Энергия ионов плазмы на поверхности образца составляла 250 эВ и была выбрана такой для того, чтобы при каждой экспозиции до флуенса около 1021 см-2 получить измеримые значения эрозии материала весовым методом. Образец охлаждали таким образом, чтобы его температура не превышала 100°С во время экспозиций (аналогично тому, как это было сделано и при облучении на циклотроне).
В таблице представлены параметры серии последовательных экспозиций рассматриваемого образца в дейтериевой плазме, а также приведены флуенс плазменных ионов и глубина эрозии для каждого этапа из шести экспозиций.
Рис. 3. Участок поверхности вольфрама с удаленным верхним слоем после четырехкратной экспозиции в дейтериевой плазме (масштабная метка 10 мкм).
Наблюдалась значительная скорость эрозии облученного вольфрама в дейтериевой плазме на уровне ~0.5 мг/см2 • ч. Анализ поверхности проводился на каждом этапе экспозиции, и таким образом была установлена динамика эрозии поврежденного слоя в плазме. На рис. 3 показан участок поверхности после четырехкратной экспозиции образца. На фотографии видны две различные структуры: правая часть рисунка соответствует эрозии образца на глубину 3.5 мкм от начальной поверхности (таблица). Здесь видна ячеистая структура, сформированная в процессе эрозии с выходом гелия из пор в материале. Левая часть соответствует поверхности более глубокого залегания (более 5 мкм), с которой на предыдущих этапах обработки плазмой был уже удален весь поврежденный (отслоенный ранее) материал.
Наконец, после шестикратной экспозиции глубина эрозии составила около 5 мкм, и поверхность, открытая плазме, представляла собой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.