Der Einfluss von Helium-Implantation auf die Deuterium-Rückhaltung in Wolfram

Wasserstoff wird in Wolfram in Kristallgitterdefekten gebunden, die durch Ionenbeschuss entstehen können. Die Frage, ob die Implantation von Heliumionen die Rückhaltung von Wasserstoff in Wolfram eher erhöht oder erniedrigt, wurde kontrovers diskutiert. Ein außergewöhnliches Experiment wirft  ein neues Licht auf diese Fragestellung.

Jüngste Experimente, die die Plasma-Oberflächen-Wechselwirkung von Deuterium-Plasmen mit Wolframoberflächen untersuchten, führten zu einem reduzierten Deuterium-Rückhalt, wenn Helium (He) beigemischt wurde. Eine mögliche Erklärung ist, dass implantiertes He eine Diffusionsbarriere für den Deuterium-Transport darstellen könnte, wodurch die Aufnahme von Deuterium (D) ins Volumen während der Plasmaentladung reduziert wird. Um diese Hypothese zu testen, wurde der Einfluss von He auf D-Transport und -Rückhalt in Wolfram (W) in einem gemeinsamen Experiment des Jožef Stefan Instituts (JSI, Ljubljana, Slowenien) und des IPP untersucht.

Helium wurde 1 μm tief in polykristallines W bis zu einer maximalen berechneten Konzentration von 3,4 Atomprozent implantiert. Um den Einfluss von Ionenschäden, die während der He-Implantation erzeugt werden, auf die D-Rückhaltung zu minimieren, wurde sogenanntes selbstgeschädigtes W verwendet. Dazu wurde die Probe vorher durch 20-MeV-W-Ionenbeschuss vorgeschädigt. Die entstandenen Defekte wurden dann durch ein Niedertemperatur-D-Plasma bei Raumtemperatur vor der He-Implantation mit D beladen. Deuterium-Tiefenprofilierung wurde in situ während des isochronen Heizens im Temperaturbereich von 300 bis 800 K durchgeführt.

Links: Schematische Darstellung der D-Anreicherung in der He-Implantationszone während des Heizens. Rechts: Vergleich von D-Konzentrationstiefenprofilen (linke Skala) für die He-implantierte Probe und die nicht He-implantierte Referenz nach Erwärmen auf 450 K für zwei Stunden. Die grüne Fläche zeigt das He-Konzentrationsprofil (rechte Skala), berechnet mit SRIM für 500-keV-He-Ionen. Der dunkelgraue Bereich zeigt die sogenannte selbstgeschädigte Zone. Bild vergrößern
Links: Schematische Darstellung der D-Anreicherung in der He-Implantationszone während des Heizens. Rechts: Vergleich von D-Konzentrationstiefenprofilen (linke Skala) für die He-implantierte Probe und die nicht He-implantierte Referenz nach Erwärmen auf 450 K für zwei Stunden. Die grüne Fläche zeigt das He-Konzentrationsprofil (rechte Skala), berechnet mit SRIM für 500-keV-He-Ionen. Der dunkelgraue Bereich zeigt die sogenannte selbstgeschädigte Zone. [weniger]

Diese Arbeit zeigt eindeutig, dass He keine Diffusionsbarriere für D darstellt, sondern im Gegenteil D anzieht und die Rückhaltung von D lokal erhöht. Nach Heizen auf 450 K erhöhte sich die D-Rückhaltung in der He-angereicherten Zone im Vergleich zu einer nicht He-implantierten W-Referenz um einen Faktor zwei. Ein Ratengleichungsmodell kann die gemessenen D-Tiefenprofile quantitativ erklären, wenn die Parameter für die D-Freisetzung unverändert bleiben und nur die Anzahl der Fallen für D in der He-Zone erhöht werden. Diese Ergebnisse stärken das Vertrauen in theoretische Berechnungen, die voraussagen, dass mehr Wasserstoffisotope um eine He-Zone angelagert werden können.

Die Arbeit wurde kürzlich in Nuclear Fusion veröffentlicht:
Markelj et al., Nucl. Fusion 57 (2017) 064002 (5pp)
Link: https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa6b27

 
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