Erosion of fusion relevant materials - experiments and modelling

Abstract

Mankinds hunger for more and more energy does not stop. In order to satisfy this demand and not to influence the world climate even more, research on nuclear fusion is indispensable. Unfortunately, there are still many physical and technical problems to be solved before the principle of nuclear fusion can be used in a power plant. Especially the inner wall of such a reactor, which is the first boundary between the extremely hot plasma and the reactor vessel, must withstand harsh conditions. The extremely high heat loads, the excessive neutron radiation and severe sputtering by particle impact causes erosion and reduces the lifetime of wall components.This thesis focuses on the investigation of the erosion of fusion relevant wall materials by projectile impact. Under well defined laboratory conditions the sputtering of thin films of tungsten, iron, and beryllium as well as irontungsten mixed films under deuterium and argon irradiation was investigated using the highly sensitive TU Wien quartz crystal microbalance technique. Furthermore, the erosion of nanostructured tungsten (W-fuzz) under argon irradiation was investigated, using the quartz crystal microbalance in catcher configuration. Although W-fuzz was suspected to have a high erosion rate, it could be demonstrated experimentally that such nanostructures show only about 5% of the sputtering yield of bulk tung- sten.In situ measurements with the quartz crystal microbalance method, in combination with surface investigations using atomic force microscope and scanning electron microscopy, as well as elemental depth profile measurements via ion beam analysis, reveal the dynamic process of erosion under ion bombardment in high detail. This allows the comparison with and benchmarking of erosion modelling by newly developed dynamic codes, which can take into account elemental composition, surface morphologies and even nanostructures.This work shows that surface morphology sensitive MC-BCA codes, like SDTrimSP- 2D and TRI3DYN are capable to forecast the outcome of experiments, if precise surface morphologies and elementary sample compositions are available. Furthermore, for the first time, the full 3D code TRI3DYN was successfully used to reproduce the erosion of a W-fuzz. The physical limits of the modelling methods, however, must always be considered.During the work also efforts were made to improve the TU Wien quartz crystal microbalance. A quasi simultaneous excitation of two eigenmodes allows to compensate for frequency changes due to temperature changes up to 700K. With this new technique it could be shown, that deuterium implanted in beryllium completely desorbs already below 500 K.

Der Hunger der Menschheit nach immer mehr Energie dauert an. Um diesen Bedarf auch in Zukunft decken zu können und dabei das Weltklima nicht noch mehr zu beeinflussen, ist die Forschung im Bereich Kernfusion unverzichtbar. Leider gibt es noch viele physikalische und technische Probleme zu lösen, bevor das Prinzip der Kernfusion in einem Kraftwerk eingesetzt werden kann. Insbesondere die Innenwand eines solchen Reaktors, welche die erste Grenze zwischen dem Fusionsplasma und dem Reaktorkessel darstellt, muss extremen Bedingungen standhalten. Die hohe Wärmebelastung, die Neutronenstrahlung und die Zerstäubung durch Teilcheneinschlag führen zu Erosion und verkürzen die Lebensdauer der Wandkomponenten. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Untersuchung der Erosion von Fusionsrelevanten Wandmaterialien durch Ioneneinschlag. Unter präzisen Laborbedingungen wurde die Zerstäubung dünner Filme aus Wolfram, Eisen und Beryllium sowie Eisen-Wolfram-Mischfilme unter Deuterium- und Argonbestrahlung mit der hochempfindlichen TU Wien Quartzkristall-Mikrowaagen-Technik (QCM) untersucht. Darüber hinaus wurde die Erosion von nanostrukturiertem Wolfram (W-Fuzz) unter Argonbestrahlung untersucht, wobei hier die QCM in Auffänger Konfiguration eingesetzt wurde. Obwohl für W-Fuzz eine hohe Erosionsrate vermutet wurde, kann im Experiment gezeigt werden, dass solche Nanostrukturen nur etwa 5% der Zerstäubungsausbeute von festem Wolfram haben.Die insitu Messungen der QCM Methode in Kombination mit Oberflächenuntersuchungen mittels Atomkraft- und Rasterelektronenmikroskopie sowie Messungen von Elementtiefenprofilen mittels Ionenstrahlanalysemethoden zeigen den dynamischen Prozess der Erosion unter Ionenbeschuss sehr detailliert. Dies ermöglicht den Vergleich und das ”Benchmarken”der Erosionsmodellierung durch neu entwickelte dynamische Codes, die Oberflächenmorphologien, Elementtiefenprofile und sogar Nanostrukturen berücksichtigen können.Diese Arbeit zeigt, dass oberflächensensible MC-BCA Programme, wie SDTrimSP- 2D und TRI3DYN, in der Lage sind, das Ergebnis von Experimenten vorherzusagen, wenn pr azise Oberfl achenmorphologien und elementare Probenzusammensetzungen verfu gbar sind. Darüber hinaus wurde zum ersten Mal der 3D-Code TRI3DYN erfolgreich zur Reproduktion der Erosion einer nanostrukturierten Oberfläche eingesetzt. Die physikalischen Grenzen der Modellierungsmethoden müssen jedoch immer berücksichtigt werden.Im Laufe der Arbeiten wurden auch Anstrengungen unternommen, die TU Wi- en QCM zu verbessern. Eine quasi gleichzeitige Anregung mehrerer Eigenmoden ermöglicht die Kompensation von Frequenzänderungen auf Grund von Temperaturänderungen von bis zu 700 K. Mit dieser neuen Technik konnte gezeigt werden, dass in Beryllium implantiertes Deuterium bereits unterhalb von 500 K vollständig desorbiert.