Investigation of sputtering properties of tungsten model systems relevant for nuclear fusion devices

Abstract

Die Entwicklung einer Möglichkeit die immense nukleare Energie von Fusionsprozessen technisch nutzbar zu machen ist ein ambitioniertes Unterfangen, dessen Umsetzung seit Jahrzehnten von Wissenschaft und Technik angestrebt wird. Zukünftige Reaktoren werden stetig geplant und weiterentwickelt. Neueste Erkenntnisse bei der Entwicklung und Testung möglicher Operationsmodi haben gezeigt, dass die Wissenschaft mit heuti- gen Mitteln so nah an der technischen Realisierung der Kernfusionsenergie als sichere, effiziente und kohlenstoffarme Energiequelle steht wie noch nie.Allerdings gibt es vor dem tatsächlichen Bau eines konventionell nutzbaren Fusionsreaktors noch Aspekte, die weitere wissenschaftliche Untersuchungen benötigen. Ein bisher noch nicht vollständig untersuchtes Gebiet beschäftigt sich mit dem Verhalten von Wandmaterialen, mit denen die Innenseiten des Reaktors ausgekleidet werden. Sowohl Erosions- als auch Implantationsprozesse werden in zukünftigen Reaktoren dynamisch auftreten. Die Eigenschaften der verwendeten Stoffe müssen dabei kritischen Auswahlkriterien für potentielle Wandmaterialien genügen, da ins Plasma erodierte Teilchen die Effektivität des Reaktors stark drosseln.Aus diesem Grund wurde im Zuge dieser Diplomarbeit das Zerstäubungsverhalten von reinen Wolfram (W) Schichten sowie von redeponierten W Schichten untersucht. Dazu wurden zwei präzise Quarz-Kristall-Mikrowaagen (QCM) gemeinsam mit einem zweckoptimierten Aufbau am IAP TU Wien verwendet. Das experimentelle Setup wurde im Zuge dieser Arbeit erweitert und mit Motoren bestückt, sodass nun vollautomatische Messprozedere durchgeführt werden können. Zusätzlich zur experimentellen Arbeit wurden ergänzende Simulationen durchgeführt, um einen Vergleich mit den Messdaten zu ermöglichen.Ergebnisse haben gezeigt, dass die Absolutwerte der Zerstäubungsausbeuten für die verwendeten Schichten aus reinem W sowie redeponiertem W vergleichbar sind. Eine detaillierte Analyse der Abhängigkeit der Zerstäubungsausbeute vom Ioneneinfallswinkel lässt außerdem auf interessante physikalische Konsequenzen, nämlich mögliche Kristall- strukturen auf einer den verwendeten Proben, schließen.Die Resultate aus dieser Arbeit tragen zum Fortschritt des europäischen Konsortiums für die Entwicklung von Fusionsenergie, EUROFusion, im Zuge des Projekts ”Plasma- Wall Interaction & Exhaust (PWIE) - Subproject SP B” bei.

An implementation utilising the huge amounts of nuclear energy released in the pro- cess of fusing light nuclei to heavier ones is an ambitious project, whose realisation has by now been pursued by science and technology over several decades. Future fusion reactors are presently being planned and recent results obtained at test beds for such devices revealed promising data, suggesting that fusion as a safe, efficient and lowcarbon energy supply is on its way to make expectations meet.However, various issues concerning this proposal still need profound analyses. One aspect that is tackled in the course of this project, are properties of potential first wall materials directly facing the plasma in fusion devices. Erosion as well as implanta- tion processes will occur dynamically due to plasma wall interactions inside the reactor. Hence, sputtering behaviours of relevant wall coating materials and additionally redeposited layers thereof are of great interest for fusion research. This concern arises from the fact that properties like erosion form crucial selection criteria for first wall coatings, since eroded particles drastically reduce the reactor efficiency.In this work, a precise twofold quartz crystal microbalance (QCM) measurement tech- nique combined with a dedicated sputtering setup at IAP TU Wien was successfully employed in order to measure sputtering properties of pure tungsten (W) as well as redeposited W layers. The experimental setup has been upgraded in the course of this thesis, enabling to perform sophisticated measurement routines entirely remotely. Ad- ditionally, numerical simulations were performed for comparison.Results have shown that the absolute values of sputter yields as well as the angular distribution of sputtered particles show comparable values for both the pure W target and the sample hosting an additional layer containing redeposited W. However, a more detailed look onto the dependence of the sputter yields on ion incidence angles has revealed interesting physical behaviour, suggesting specific crystal structures on one of the utilised samples.The outcome of this project contributed to the scientific progress in the work package ”Plasma Wall Interaction & Exhaust (PWIE) - Subproject SP B” of the European consor- tium for the development of fusion energy, EUROfusion.