Der Einfluss von Strahlenschäden sowie von mechanischen und plasma-induzierten Schädigungen auf die Deuteriumrückhaltung in Wolfram

Die Rolle spezifischer Defekte auf die Deuteriumrückhaltung in reinem Wolfram wurde in gezielten Experimenten untersucht. Solche Erkenntnisse sind wichtig, da Wasserstoffisotope in Wolfram nur durch Bindung an Defekte im Kristallgitter dauerhaft zurückgehalten werden. Durch diesen Effekt wird im Wesentlichen die Tritiumansammlung in den Wänden von Fusionsanlagen bestimmt.

Trotz einer großen Zahl an experimentellen und theoretischen Daten sind viele Details der Bindung von Wasserstoffisotopen an spezifische Kristallgitterdefekte in Wolfram noch unbekannt. Herr Mikhail Zibrov hat sich dieser Fragestellung in seiner Doktorarbeit gewidmet und die Wasserstoffrückhaltung in speziell hergestellten und wohl charakterisierten Wolframproben, die nur einen dominanten Defekttyp enthalten, untersucht.

Deuterium Konzentration (Kreise) und mittlere Positronen-Lebensdauer (Quadrate) als Funktion der Temperatur für Wolfram-Einkristalle die mit 200-keV-Protonen bis zu 6×10-3 ‘displacements per atom‘ bestrahlt wurden um Leerstellen im Wolframkristallgitter zu erzeugen. Die nach der Bestrahlung getemperten Proben wurden einem Deuteriumplasma ausgesetzt, um die vorhandenen Defekte mit Deuterium zu dekorieren. — Deuterium Konzentration (Kreise) und mittlere Positronen-Lebensdauer (Quadrate) als Funktion der Temperatur für Wolfram-Einkristalle die mit 200-keV-Protonen bis zu 6×10^-3 ‘displacements per atom‘ bestrahlt wurden um Leerstellen im Wolframkristallgitter zu erzeugen. Die nach der Bestrahlung getemperten Proben wurden einem Deuteriumplasma ausgesetzt, um die vorhandenen Defekte mit Deuterium zu dekorieren.

Grafik: M. Zibrov, IPP

Deuterium Konzentration (Kreise) und mittlere Positronen-Lebensdauer (Quadrate) als Funktion der Temperatur für Wolfram-Einkristalle die mit 200-keV-Protonen bis zu 6×10^-3 ‘displacements per atom‘ bestrahlt wurden um Leerstellen im Wolframkristallgitter zu erzeugen. Die nach der Bestrahlung getemperten Proben wurden einem Deuteriumplasma ausgesetzt, um die vorhandenen Defekte mit Deuterium zu dekorieren.

Grafik: M. Zibrov, IPP

Dabei wurde mittels gezielter Thermodesorptionsmessungen erstmals die Bindungsenergie von Deuterium an Leerstellen im Wolfram-Kristallgitter („vacancies“) mit hoher Genauigkeit vermessen. Durch die Analyse mit Positronen-Lebensdauerspektroskopie konnten die charakteristischen Temperaturen, bei denen Leerstellen beginnen zu Leerstellenclustern zu agglomerieren um dann bei noch höheren Temperaturen auszuheilen, bestimmt werden. Es zeigte sich, dass Leerstellencluster Wasserstoff stärker binden als einzelne Leerstellen. Es wurde auch geschlossen, dass Wasserstoff nur schwach an Versetzungen (ein anderer Defekttyp) gebunden ist.

Herrn Mikhail Zibrov wurde im November 2018 ein gemeinsamer Doktortitel der Technischen Universität München und Universität Ghent verliehen. Die Doktorarbeit ist unter folgendem Link verfügbar: http://hdl.handle.net/21.11116/0000-0002-A14C-3

Zusätzlich wurde er von EUROfusion ausgewählt als EU-Repräsentant im Zeitraum 2019-2020 an gemeinsamen Experimenten in der PISCES-B Facility an der University of California, San Diego (USA) teilzunehmen.

Die Doktorarbeit von Mikhail Zibrov im Rahmen des “International Doctoral College in Fusion Science and Engineering (FUSION-DC)” durchgeführt. Seine Forschungsarbeiten wurden am IPP in enger Zusammenarbeit mit dem „Moscow Engineering Physics Institute“, mit der Universität der Bundeswehr München, mit dem belgischen Kernforschungzentrum SCK•CEN, und dem „Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER)“ durchgeführt.

Einge Ergebnisse seiner Doktorarbeit wurden schon in folgenden Artikeln veröffentlich:
M. Zibrov, M. Balden, T.W. Morgan, M. Mayer, Deuterium trapping and surface modification of polycrystalline tungsten exposed to a high-flux plasma at high fluences, Nuclear Fusion 57 (2017) 046004. http://dx.doi.org/10.1088/1741-4326/aa5898

M. Zibrov, S. Ryabtsev, Yu. Gasparyan, A. Pisarev, Experimental determination of the deuterium binding energy with vacancies in tungsten, Journal of Nuclear Materials 477 (2016) 292. http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.04.052