Erosion analysis of thin W layers and W Fuzz under Ar ion bombardment

Abstract

Es scheint schier unvorstellbar mit welch rasanter technologischer Entwicklung die Menschheit voranschreitet. Im Jahre 1866 wurden durch die Entdeckung des dynamo-elektrischen Prinzips erstmals großflächige,öffentliche Energieversorgungen möglich und heute stehen wir kurz davor, winzige Sonnen mittels Kernfusion kontrolliert entstehen zu lassen, um unseren nie enden wollenden Energiebedarf weiterhin decken zu kÖnnen. Das junge Teilgebiet der Physik, die Plasmaphysik, bildet die Grundlage für das Verständnis rund um die Zusammenhänge eines quasineutralen Gases, genannt Plasma. Die vielversprechenste Möglichkeit, um eine Kernfusion von Wasserstoff zu Helium auf der Erde zu erzielen, besteht im magnetischen Einschluss eines D-T-Plasmas. Dieser Einschluss kann entweder durch einen TOKAMAK oder einen Stellarator realisiert werden, welche sich in der Erzeugung des erforderlichen poloidalen Magnetfeldes unterscheiden. Aus wirtschaftlicher und konstruktionstechnischer Sicht wurde der TOKAMAK Reaktor als geeigneter Kandidat für den Bau eines zukünftigen Kernfusionskraftwerk DEMO herangezogen, doch es warten noch große Herausforderungen.Die für eine Fusion notwendigen physikalischen Bedingungen sind extrem und stellen speziell an die verwendeten Materialien der Innenwand des Reaktors unglaublich hohe Anforderungen. Die Erosionsrate ist hierbei ein maßgebliches und entscheidendes Kriterium für die Lebensdauer und somit für die Einsatzfähigkeit von Plasmarandschichtmateri- alien. Aufgrund seiner bestechenden Eigenschaften, dem sehr hohen Schmelzpunkt, der geringen Tritium Rückhaltung und deräußerst niedrigen Zerstäubungsrate gilt Wolfram als hervorragende Wahl für die Diverterregion [1]. Jedoch wurde beobachtet, dass Wol- fram unter gewissen Bedingungen eine fasrige Nanostruktur bildet, welche als W-Fuzz bezeichnet wird [2, 3]. Thermische sowie optische Eigenschaften werden durch diese Oberflächenveränderung negativ beeinflusst und man könnte vermuten, dass auch die Erosionsrate aufgrund der hochporösen Struktur erhöht ist [4,5]. Im Zuge dieser Arbeit wurde das Erosionsverhalten von glatten W Proben und W-Fuzz Proben unter 2keV Ar1+ Ionenbeschuss untersucht. Mit der bewährten und hochpräzisen TU Wien Quarzkristall- Mikrowaagen Technik (QCM) wurde unter Ultrahochvakuum (UHV) Bedingungen in-situ die Zerstäubungsrate der einzelnen W Probenoberflächen vermessen. Für die Untersuchung der W-Fuzz Probe wurde die QCM als Auffänger gegenüber der Probe installiert und mittels Kalibrierungsmessungen die Zerstäubungsrate errechnet. Erstaunlicherweise wurde für W-Fuzz eine deutlich niedrigere Zerstäubungsausbeute beobachtet als für glatte W-Proben. Dies lässt sich allerdings gut mit Redeposition des zerstäubten Wolframs in den fasrigen Strukturen des W-Fuzz erklären.

It seems almost incredible to imagine the pace at which mankind is advancing in terms of technological development. The discovery of the dynamo-electric principle in 1866 made large-scale public energy supplies possible for the first time. Today, we are on the verge of creating our own tiny suns in reactors through nuclear fusion in order to keep satisfying our never-ending energy demand. Plasma physics is the fundamental basis for understanding the interactions of a quasineutral gas called plasma. On Earth the most promising way for achieving nuclear fusion of hydrogen to helium is by magnetic confinement of a D-T-plasma. This can be realized either by a TOKAMAK or a stellarator, which differ in the way they generate the required poloidal magnetic field. From an economic and engineering point of view, the TOKAMAK reactor has been taken as the most suitable candidate for the construction of a future nuclear fusion power plant DEMO, but there are major challenges remaining.The physical conditions necessary for fusion are extraordinary and cause enormous challenges especially for plasma-facing materials (PFM). In this regard, the erosion rate is a significant and decisive criterion for the inner wall‘s lifetime and thus for the usability of potential PFMs. Tungsten (W) is considered to be an excellent choice as PFM, especially for the diverter region due to its very high melting point, low tritium retention and extremely low sputtering yield [1]. However, it has been observed that under certain conditions, a tungsten surface forms fibrous nanostructures, called W-fuzz [2, 3]. Thermal and optical properties are negatively affected by this surface change and it could be assumed that the erosion rate is also increased due to the highly porous structure [4,5]. In the course of this diploma thesis, the erosion behavior of smooth W samples and W fuzz samples under 2 keV Ar1+ ion bombardment was investigated. By using the well proven and highly sensitive TU Wien quartz crystal microbalance technique (QCM), the sputtering yields of the W samples was measured in-situ under ultra-high vacuum (UHV) conditions. For the investigation of the W fuzz sample, the QCM was installed as a catcher opposite the targetholder and calibration measurements were performed to reconstruct the sputtering yield. Surprisingly, a significantly lower sputtering yield was observed for W fuzz than for smooth W samples. However, this can be well explained by redeposition of the sputtered tungsten in the fibrous structures of the W fuzz.