Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В отличие от существующих термоядерных установок, работающих с дейтерием, в ИТЭР и будущих реакторах будет использоваться DT-смесь, что накладывает требование на ограничение накопления радиоактивного трития в установках с точки зрения безопасности. Увеличение мощности и времени работы будущих термоядерных установок приведет также к более интенсивному распылению материалов, обращенных к плазме, и, как следствие, формированию большего количества переосажденных слоев, которые могут оказывать значительное влияние на взаимодействие плазмы со стенкой. Дополнительная особенность при работе с тритием – образование гелия в плазме и в стенках в результате реакции синтеза и радиоактивного распада трития, что в совокупности с нейтронным повреждением может привести к накоплению большого количества гелия и дефектов в материалах реактора, что также может существенно влиять на захват трития. Исследованию влияния этих эффектов на накопление изотопов водорода посвящен настоящий проект. В ходе выполнения первого этапа проведен цикл исследований по термодесорбции гелия из вольфрама при ионном и плазменном облучении в широком диапазоне доз облучения (1е19-1е25 Не/м2). Впервые подобные термодесорбционные измерения были проведены в широком диапазоне температур 300-2500 К (максимальная температура превышает на 1000 К возможности большинства установок по ТДС). В компактной установке с ВЧ-плазменным разрядом получены режимы формирования вольфрамового «пуха» на поверхности (впервые в России). Проведены исследования накопления гелия вблизи порога образования «пуха» на поверхности. Показано, что на начальной стадии роста наблюдается быстрый рост накопления гелия в образцах, что свидетельствует о сильной трансформации в приповерхностном слое. Проведена электронная микроскопия поперечного сечения образцов после ионного и плазменного облучения. Показано образование пор размеров 10–75 нм в приповерхностном слое. Проведены исследования термодесорбции гелия из вольфрама, поврежденного МэВными ионами вольфрама для имитации нейтронного повреждения. Показано, что в этом случае внедренный гелий может оставаться длительное время в вольфраме при температурах свыше 2500 К. Присутствие гелия в вольфраме при столь высоких температурах должно препятствовать рекристаллизации и отжигу радиационных дефектов. Компьютерное моделирование хорошо описывает экспериментальные данные и показывает, что основная причина замедления десорбции связана с более глубоким распределением ловушек и гелия и с перезахватом гелия в соседние ловушки на пути к поверхности. Проведены эксперименты по осаждению водорода с металлами (вольфрам, молибден, алюминий) в условиях магнетронного разряда. Получены температурные зависимости и зависимость от соотношения потоков дейтерия и металла. Впервые показано, что температурная зависимость имеет ступенчатый характер. Разработана аналитическая модель со-осаждения дейтерия с металлами в плазменном разряде в квазистационарном режиме. Проведены исследования проницаемости дейтерия перспективными конструкционными материалами (ферритно-мартенситная сталь Русфер, ванадиевый сплав V-4Cr-4Ti). Проникающий поток дейтерия через сталь на 3-4 порядка меньше, чем через сплав V-4Cr-4Ti. Эффективность проницаемости дейтерия через V-4Cr-4Ti достигает 10% при температуре 830 К, что исключает возможность его использования в прямом контакте с тритием в качестве конструкционного материала.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Накопление изотопов водорода в термоядерных установках происходит в результате двух основных каналов – это прямое внедрение ионов водорода в обращенные к плазме материалы, а также процесс со-осаждения: рост пленок из продуктов эрозии материала стенки и атомов рабочего газа. На оба этих процесса существенно влияет добавка примеси гелия в плазме. В ходе второго этапа проекта были продолжены исследования по изучению захвата гелия в вольфрам при облучении ионным пучком и плазменном облучении. Проведен анализ модификации поверхности поверхности в ходеоблучения. Продемонстрировано образование блистеров на поверхности при облучении ионами гелия при температуре 300-1000 К и формирование «губчатой» поверхности при 1200 К. Также показано, что поры могут оставаться в материале даже после длительного отжига при температуре 2500 К, проникая вглубь материала. Продемонстрирован эффект снижения температуры выхода части захваченного гелия при контакте поверхности с атмосферой. Аналитически получена формула для содержания изотопов водорода в со-осажденных слоях, формируемых на стенках плазменных установок, учитывающая скорость осаждения и коэффициент рекомбинации на поверхности. Формула имеет хорошее согласие с экспериментами для металлов с положительной теплотой растворения водорода. Проведены оценки концентрации и энергии ловушек для водорода в переосажденных слоях вольфрама, молибдена, алюминия и бериллия, полученных в лабораторных условиях. Проведены измерения содержания дейтерия в переосажденных слоях бериллия и покрытиях вольфрама в токамаке JET (в рамках совместных экспериментов с Институтом физики плазмы им. Макса Планка, Германия), а также сравнение полученных результатов с полученной аналитической формулой. Продемонстрировано эффективное удаление дейтерия из вольфрамовых покрытий при выдержке в газообразном водороде при температуре 200 С и при плазменном облучении при температуре 120 С. В экспериментах с ванадиевым сплавом V 4Cr 4Ti продемонстрирована высокая водородная проницаемость при плазменном облучении в диапазоне температур T = 600÷800K, что делает этот материалом приемлемым для его применения в качестве сверхпроницаемой мембраны для селективной откачки (экстракции) изотопов водорода.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе выполнения третьего этапа были проведены заключительные экспериментальные и теоретические исследования, а также обобщение результатов проекта, а именно влияния примеси гелия и процесса переосаждения на накопление изотопов водорода в стенках термоядерных установок. Было показано, что при разных концентрациях гелия в вольфраме он по-разному связывается в материале и по-разному влияет на захват дейтерия. При низких концентрациях гелий сильно связывается в дефектах и способствует формированию сильных ловушек для дейтерия. При достижении предельных концентраций гелия в вольфраме дальнейшее ее увеличение прекращается, также резко падает и эффективность удержания дейтерия. Насыщение поверхности гелием снижает также и проникающий вглубь материала поток дейтерия. При больших потоках, ожидаемых в будущих термоядерных установках насыщение поверхностного слоя займет не более, чем несколько секунд, даже при больших температурах. Эксперименты с конструкционной сталью ЭК-181 показали аналогичное снижение проникающего потока и, в целом, схожее влияние гелия на морфологию поверности и удержание дейтерия. Исследовано со-осаждение гелия с вольфрамом и смеси дейтерия с гелием, продемонстрировано их взаимное влияние. При комнатной температуре осаждения наблюдалась конкуренция за место в ловушках и снижение накопление обоих элементов. При повышенных температурах осаждения зават дейтерия был выше, чем в экспериментах без гелия. Наблюдаемое в ходе предыдущего этапа эффективное удаление дейтерия из вольфрамовых со-осаженных слоев при выдержке в газообразном водороде при температуре 200 С было подтверждено для слоев большей толщины и при наличии примеси гелия. Таким образом, несмотря на потенциально большое количество захваченного водорода в переосажденных слоях вольфрама, можно ожидать их достаточно легкое обезгаживание.