Dynamic erosion and stability analysis of nano-columnar tungsten

Abstract

Die Wahl des ersten Wandmaterials für künftige Fusionsreaktoren ist eine der Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, um die Aufwärtsskalierung zu kommerziellen Kraftwerken zu ermöglichen. Aufgrund seiner Hitzebeständigkeit, seiner hohen Sputtering-Schwelle und vieler weiterer vorteilhafter Eigenschaften ist Wolfram (W) bisher einer der vielversprechendsten Kandidaten. Dennoch gibt es eine Reihe von nachteiligen Effekten, wenn W in Fusionsgeräten mit magnetischem Einschluss verwendet wird, wie z. B. Blasen- und "W-Fuzz"-Bildung, die die Effizienz der Reaktoren beeinträchtigen. In früheren Studien wurde gezeigt, dass die Nanostrukturierung von W in Form von Nanosäulen zu einer höheren Strahlungsresistenz und einer geringeren Sputterausbeute führt.Um den Erosionsprozess von nanosäulenförmigem W (NCW) besser zu verstehen, wurde eine dünne Schicht von NCW, die zuvor auf einen mit Gold-Elektroden ausgestatteten Quarzkristall abgeschieden worden war, unter 2 keV Ar$^+$ Ionenbestrahlung bei einem Einfallswinkel des Ionenstrahls von $60$° zur Oberflächennormalen schrittweise erodiert. Nach jedem Erosionsschritt wurde die winkelabhängige Sputterausbeute gemessen und die Oberflächentopographie mittels SEM und AFM abgebildet. Zusätzlich wurden die AFM-Messungen und eine nach den verfügbaren SEM-Bildern modellierte Struktur als Input für einen Simulationscode (SPRAY-Code) verwendet, der auf Basis der sogenannten binary collision approximation (BCA) in Kombination mit einem Raytracing Algorithmus entwickelt wurde.Es wurde festgestellt, dass die SPRAY-Simulationen die gemessene statische Sputterausbeute erst nach einer signifikanten Erosion der NCW-Probe gut reproduzieren konnten. Dies wurde hauptsächlich auf die Ungenauigkeiten bei der Reproduktion der Oberflächentopologie mittels AFM-Abbildung zurückgeführt. Andererseits stellt die Modellstruktur zwar die tiefen Kanäle in den NCW-Topologien besser dar, gibt aber die Oberflächenrauheit nicht genau wieder und konnte daher auch keine fehlerfreien simulierten Sputtererträge für NCW liefern.Die Messung der dynamischen Sputterausbeute liefert die erste experimentell ermittelte Quantifizierung der Stabilität von NCW bei längerem Sputtern mit energiereichen (keV-Bereich) Ionen. Während die anwendbaren Fluenzen bisher nur durch Simulationen untersucht wurden, untermauert das Experiment den vorhergesagten Wert mit guter Übereinstimmung. Darüber hinaus wurde die Betriebszeit des NCW unter fusionsrelevanten Bedingungen abgeschätzt, sodass Hochrechnungen für die Betriebszeit in unterschiedlichen Betriebsmodi möglich ist.

The choice of the first wall material in future fusion reactors is one of the challenges that need to be addressed, in order to enable the up scaling of research reactors to commercial power plants. Because of its heat resistance, high sputtering threshold and many other beneficial properties, to date, tungsten (W) is one of the most promising candidates. Nevertheless, there are a number of detrimental effects when using W in Magnetic Confinement Fusion (MCF), such as blistering and W-fuzz formation, which inhibit the efficiency of the reactors. In previous studies, it was shown that nano-structuring of W into nano-columns or nano-foam results in higher radiation resistance and lower sputter yield.In order to better understand the erosion process of nano-columnar W (NCW), a thin layer of NCW deposited onto a quartz crystal was gradually eroded under 2\,keV Ar$^+$ ion irradiation at an ion beam incidence angle of $60$° towards the surface normal. After each erosion step the angle dependence of the sputter yield was measured and the surface topography was imaged via SEM and AFM. Additionally, the AFM measurements and a structure modeled according to the available SEM images were used as input for a simulation code (SPRAY), which was developed on the basis of the so-called Binary Collision Approximation (BCA) in combination with a ray-tracing algorithm.It was found that the SPRAY simulations could only reproduce the measured static sputter yield well after significant erosion of the NCW sample. This was mainly attributed to the inaccuracies in the reproduction of the surface topology via AFM imaging. On the other hand, the model structure, while better representing the deep channels present in the NCW topologies, did not reproduce the surface roughness precisely and, therefore as well, could not provided accurate simulated sputter yields for NCW.The dynamic sputter yield measurement provides the first experimentally determined quantification of the stability of NCW under prolonged sputtering with energetic (keV range) ions. While previously the applicable fluences were only investigated through simulations, the experiment supports the predictions with good agreement. Furthermore, an operational time of NCW in fusion relevant conditions was estimated, which can be up-scaled to possible reactor scenarios.