Experimental and numerical study of ion-induced sputtering for first wall materials in nuclear fusion devices

Abstract

Der kontinuierlich steigende Primärenergiebedarf der Menschheit und die gleichzeitig heute schon gut erkennbaren und evidenten Auswirkungen der CO2-Emissionen auf das Klima der Erde motivieren kontinuierliche Bemühungen,neue Formen von nachhaltiger, aber auch ertrag- reicher Energieversorgung zu erschließen und großtechnisch umzusetzen. Ein prominentes Beispiel für solche Entwicklungen ist die Kernfusionstechnologie, mit dem Ziel der kontrollierten Energieversorgung. Bis zur Realisierung des ersten Kernfusionskraftwerks sind derzeit noch einige technische Hindernisse zu überwinden. Ein Beispiel ist die Auswahl geeigneter Wandmaterialien für die Innenauskleidung des Reaktorbehälters, wobei auch die Vorhersage von Materialeigenschaften unter Plasmaexposition wichtig ist.Diese Arbeit leistet einen Beitrag zum entsprechenden Gebiet der Plasma-Wand Wechsel- wirkung, wo unter anderem die atomare Erosion von Materialien durch Ionenbeschuss untersucht wird. Dieser Prozess, der als Zerstäuben bezeichnet wird, kann die Lebensdauer der dem Plasma ausgesetzen Materialien begrenzen und einen unvorteilhaften Anstieg der Verunreinigungskonzentration im Fusionsplasma verursachen. Daher ist eine zuverlässige Vorhersage der Zerstäubungseigenschaften, die auch Parameter wie die Zerstäubungsausbeute umfasst, wünschenswert.Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl Experimente als auch numerische Simulationen durchgeführt. Auf der experimentellen Seite wurde eine hochempfindliche Quarzkristall- Mikrowaage in Kombination mit einer Ionenquelle verwendet, die einen gut definierten Ionenstrahl erzeugte. Mit diesem Aufbau konnten genaue Daten über die Zerstäubungsausbeute unter ausgewählten Laborbedingungen gemessen werden. Für numerische Simulationen wurden sowohl bekannte Codes basierend auf der sogenannten ”binary collision approximation” verwendet, als auch ein neuer ray-tracing-Code namens SPRAY entwickelt. Mithilfe dieser experimentellen und numerische Werkzeuge bestand das Hauptziel dieser Doktoratsarbeit, die Effekte während der atomaren Zerstäubung für verschiedene Randbedingungen zu untersuchen. Im Zuge dieser Arbeit werden drei ausgewählte Studien im Detail vorgestellt.In der ersten präsentierten Studie wurden sowohl experimentelle als auch numerische Ansätze verwendet, um die Auswirkung von konventioneller Oberflächenrauhigkeit auf W bezüglich der Zerstäubung während Ar+-Bestrahlung zu untersuchen. Dabei konnte validiert werden, dass der neu entwickelte SPRAY-Code ein praktikables und schnelles numerisches Werkzeug für solche Untersuchungen ist. Darüber hinaus wurde ein neuer Oberflächenrauhigkeitsparameter, der skalenunabhängige mittlere Neigungswinkel δm der Oberfläche, als zuverlässige statistische Metrik zur Beschreibung der Zerstäubungsausbeute von konventionell rauen Oberflächen identifiziert. DieVerwendung üblicher skalenabhängiger Parameter wiederRMS- Rauheit versagte in dieser Hinsicht. Es wurde sogar eine empirische Fit-Formel für die Vorhersage der Zerstäubungsausbeute von rauen W-Oberflächen ermittelt, die nur den Ionene- infallswinkel, den Rauheitsparameter δm und die Zerstäubungsausbeute für eine flache W-Oberfläche unter normalem Ioneneinfall benötigt.Die zweite in dieser Arbeit vorgestellte Studie befasst sich schließlich mit der gezielten Nanostrukturierung von W und den daraus resultierenden Auswirkungen auf die Zerstäubungsausbeute. Bei der Verwendung von nano-säulenförmigen W-Oberflächen anstelle von flachem W konnte sowohl in Experimenten als auch mit SPRAY-Simulationen eine vorteilhafte Reduzierung der Zerstäubungsausbeute und eine Verringerung der Abhängigkeit vom Ionene- infallswinkel beobachtet werden. Weitere numerische Optimierungsstudien ermöglichten die Identifizierung einer spezifischen geometrischen Konfiguration, die eine sehr starke Verringerung der Zerstäubungsausbeute um mehr als 80% im Vergleich zu flachen W-Oberflächen bewirkte. Mit Hilfe von dynamischen Simulationen unter Verwendung des SDTrimSP-3D- Codes wurde auch das Erosionsverhalten als Funktion der Fluenz für diese nanostrukturierten Oberflächen untersucht, was erste Vorhersagen hinsichtlichdes Potenzials für die Anwendung auf plasma-zugewandten Komponenten in einem Fusionsreaktor ermöglichte.In der dritten vorgestellten Studie wurde der Einfluss von gemischter Ionenbestrahlung auf die Zerstäubung von flachem W mit 2 keV Ar+ und D2+ experimentell untersucht, um zu prüfen, ob synergistische Effekte zu beobachten sind. Das Ergebnis war, dass die Zerstäubungsaus- beute bei gemischter Bestrahlung mit Hilfe eines Superpostitionsansatzes, welcher auf den individuellen Fluenzen der Ionensorten basiert, gut vorhergesagt werden kann. Dieses Ergeb- nis untermauert die Annahme, dass in dem untersuchten Parameterbereich keine synergistischen Effekte zu erwarten sind, was die Verwendung der binary collision approximation in numerischen Simulationscodes weiter unterstützt.

The continuously rising trend in primary energy demand of humanity, combined with the evident and nowadays already well recognisable effect of CO2 emissions on the planet’s climate, motivate continuos efforts to access and master new forms of sustainable, but also high- yielding energy supply. A prominent example for such developments is nuclear fusion technology for controlled energy supply. Currently, there are still several technical obstacles to overcome until the first nuclear fusion power plant is realised. One example is the choice of suitable armour materials inside the reactor vessel, while also the prediction of material properties under plasma-exposed conditions is important.This thesis contributes to the corresponding field of plasma-wall interaction, where also the atomic erosion of materials due to ion bombardment is under investigation. This process, which is called sputtering, can limit the lifetime of plasma-facing materials and can cause a detrimental rise of impurity abundance in the fusion plasma. Therefore, a reliable prediction of sputtering properties, also covering parameters like the sputter yield, is desired.Both experiments and numerical simulations were performed in the course of this thesis. On the experimental side, a highly sensitive quartz crystal microbalance technique was used in combination with an ion source which delivered a well-defined ion beam. With this setup, accurate data on sputter yields under selected laboratory conditions were measured. Regarding numerical simulations, prominent binary collision approximation codes were employed, while also the new ray-tracing code SPRAY was developed. With both experimental and numerical tools at hand, the key goal was to study sputtering effects for different boundary conditions. In this context, three selected studies are presented in more detail throughout this document. For the first study, both experimental and numerical investigations were performed to pinpoint the effect of conventional surface roughness on sputtering during Ar+ irradiation of rough W samples. Here, it could be validated that the newly developed SPRAY code is a viable and quick tool for such investigations. Furthermore, a new surface roughness parameter, the scale-independent mean surface inclination angle δm, was identified as reliable statistical met- ric to describe sputter yields of conventionally rough surfaces. In turn, usage of common scale-dependent parameters like RMS failed in this regard. Even an empirical fit formula for prediction of sputter yields by rough W surfaces was obtained, which only requires the ion incidence angle, the roughness parameter δm and the sputter yield for a flat W surface under normal ion incidence as input.The second presented study focuses on dedicated nano-structurisation of W surfaces and the resulting effect on sputtering. Using nano-columnar W instead of flat W, a favourable re- duction of sputter yields and a decrease of the dependence on the ion incidence angle could be observed in both experiments and SPRAY simulations. Further numerical optimisation studies allowed to identify a specific geometrical configuration of nano-columnar W which would cause a very strong sputter yield reduction, by more than 80% in comparison to flatW surfaces. With the aid of 3D dynamic simulations using the SDTrimSP-3D code, also the fluence-dependent erosion behaviour was investigated, which allowed first predictions regard- ing the potential of nano-columnar W on plasma-facing components in a fusion device. Finally, for the third study presented in this work, the influence due to mixed ion irradiation of flat W samples by 2 keV Ar+ and D2+ on sputtering was experimentally investigated, to study whether any synergistic effects are observable. The result was that the sputter yield during mixed irradiation can be well predicted using a superposition law, based on the individual flu- ences of the ion species. This outcome supported the assumption that no synergistic effects are to be expected in the studied parameter regime, which further supports the usage of the binary collision approximation in numerical simulation codes.