Erosion of tungsten-nitride and iron-tungsten surfaces under deuterium ion impact

Abstract

Kernfusion. Der heilige Gral der sauberen Energiegewinnung. Viele physikalische und technische Probleme sind noch zu lösen, bevor ein Kernfusionskraftwerk gebaut werden kann. Einer der problematischsten Komponenten eines solchen Kraftwerks ist die Beschichtung der inneren Reaktorwand, welche in direkten Kontakt mit dem Fusionsplasma kommt. Die Suche nach Materialien, die den dort herschenden Bedingungen standhalten können, ist daher ein großes Forschungsgebiet. Wolfram (W) ist ein vielversprechender Kandidat und wird bereits in vielen Forschungsreaktoren verwendet. Man hat bei diesen festgestellt, dass das Einbringen von Stickstoff (N) in das Fusionsplasma die thermische Belastung der Reaktorwand reduziert, insbesondere im Bereich des Divertors. N-Ionen Implantation führt aber zur Bildung von Wolfram-Nitride (WN) Schichten in der Reaktorwand, welche den Wandverschleiß verändern. Die Untersuchung der Zerstäubungsausbeuten von WN Schichten unter Deuterium (D) Ionen Bombardement ist daher von großem Interesse. Weiters sollen für zukünftige Reaktoren sogenannte niedrig-aktivierbare Stähle (z.b. EUROFER) verwendet werden, welche neben Eisen (Fe) auch geringe Mengen an W enthalten (FeW). Unter Ionenbeschuss erfolgt präferentielles Sputtern, welches zu einer Anreicherung von W an der Oberfläche führt und dadurch den Materialverschleiß deutlich reduzieren könnte, welches wiederum die Lebensdauer der Reaktorwand deutlich erhöhen könnte. Im Zuge dieser Arbeit wurden Messungen von Zerstäubungsausbeuten von W und WN Oberflächen, als auch von Fe und FeW Oberflächen, unter hohen D-Ionen Fluenzen (- 10 23 D/m2), mithilfe einer hochempfindlichen Quartz-Kristall Mikrowaage, durchgeführt. Eine bestehende ECR Ionenquelle erreicht nicht die notwendigen Ionenflüsse, um diese Hoch- Fluenz Messungen in akzeptabler Zeit durchzuführen, daher musste ein neues Setup entwickelt werden. Mit Hilfe der Verwendung eine Sputter-Gun konnte der Ionenfluss um ca. das 250 fache erhöht werden, wodurch nun Hoch-Fluenz Messungen möglich sind. Die Messungen mit WN Oberflächen zeigen eine Abhängigkeit der Zerstäubungsausbeute von der aufgebrachten Fluenz. Ein anfangs erhöhte Zerstäubungsausbeute sinkt kontinuierlich, bis diese, bei höheren Fluenzen den gleichen Wert erreicht, wie jene von reinen W Oberflächen. Bei einer kinetischen Energie der D Ionen von 1000 eV/D wird dies nach einer Fluenz von 6 ·1 022 D/m2 erreicht und bei 500eV/D ist die notwendige Fluenz mit 2 · 1022 D/m2 deutlich geringer. Ein Vergleich dieser Messungen mit numerischen Simulationen durch SDTRIM.SP zeigen eine präferenzielle Abreicherung von N aus der Probe. Die Zerstäubungsausbeute der FeW Oberflächen zeigen bei niedrigen Fluenzen den gleichen Wert als jene von reinem Fe, aber bei höheren Fluenzen ist ein deutliches Absinken zu sehen. Bei einer kinetischen Energie der D Ionen von 1000eV/D ist nach einer Fluenz von 2 · 1023 D/m2 eine nahezu konstante Zerstäubungsausbeute erkennbar. Bei 250 eV/D kann sogar nach einer Fluenz von 3.5 · 1023 D/m2 noch ein Absinken der Zerstäubungsausbeute gemessen werden.

Nuclear Fusion. The holy grail of clean energy production. Still a lot of physical and technical issues need to be solved in order to use nuclear fusion as a future energy source. One of the most challenging parts is the coating of the reactor vessel, which faces the ultra hot plasma. The erosion of material compositions, used in nuclear fusion devices as a first boundary between the plasma and the reactor vessel, is therefore a topic of current research. Current experimental nuclear fusion devices with a full tungsten divertor uses nitrogen seeding to reduce the power load on highly exposed surfaces, by enhanced radiative cooling. The formation of tungsten-nitride (WN) layers, caused by nitrogen (N) ion implantation and their erosion due to deuterium (D) and nitrogen (N) bombardment is therefore of particular interest. For future fusion devices low activation steels (e.g. EUROFER) are considered for recessed areas. Preferential sputtering of tungsten-containing steels (FeW) could lead to a surface enrichment with tungsten (W), thereby reducing the erosion yield and increasing the lifetime of these components. A profound understanding of the interaction of D ions with WN and FeW surfaces is hence highly desirable. In the course of this work W and WN surfaces, as well as Fe and FeW surfaces were bombarded with mono energetic D particles to measure sputter yields at high fluences (- 1023 D/m2), using a highly sensitive quartz crystal microbalance technique (QCM) under well defined laboratory conditions. An existing ECR ion source was not able to provide sufficient high ion fluxes to do these measurements in an acceptable amount of time, so a new measurement setup needed to be developed. The use of a sputter gun as an ion source increases the ion flux by a factor of about 250, up to 2.7 · 1018 D/m2/s and makes high fluence measurements feasible. Measurements with WN surfaces show a strong dependence of the observed mass change rate on the bombarding D fluence. The mass loss is initially higher, compared to pure W surfaces, and drops with increasing fluence, reaching the same mass removal rate as for pure W. At a kinetic projectile energy of 1000 eV/D a fluence of about 6 · 1022 D/m2 is necessary, while at 500 eV/D the required fluence is with about 2 · 1022 D/m2 lower. Comparisons with dynamic sputtering calculations with SDTRIM.SP indicate a preferential removal of N and therefore a W enrichment of the surface. The interaction of D projectiles with FeW surfaces, with 1.5 at. % W, show at low fluences a mass removal rate close to the value of pure Fe. With increasing D fluence a reduction of the mass removal rate is observed. At a kinetic projectile energy of 1000 eV/D and after a bombarding fluence of 2 · 1023 D/m2 a nearly steady state mass removal rate can be seen. At 250 eV/D even after a fluence of about 3.5 · 1023 D/m2 no steady state conditions of the mass removal rate is found, a fact, which indicates a continuous surface enrichment of W.