Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Материалы, используемые в энергетике, обычно эксплуатируются в экстремальных условиях. В будущих термоядерных реакторах материалы, обращенные к плазме, будут подвержены мощным стационарным и импульсным тепловым нагрузкам, интенсивным потокам частиц изотопов водорода и продуктов DT-реакции гелия и нейтронов. Такие экстремальные условия эксплуатации приводят к деградации материалов вследствии эрозии, накопления изотопов водорода и напряжений, вызванных имплантированными частицами или потоками тепла. Одним из ключевых аспектов взаимодействия изотопов водорода с материалами, вызывающим повышенный интерес с точки зрения безопасности реакторов из-за радиоактивности трития и изменения свойств материала в процессе эксплуатации, а также для расчета топливного баланса в плазме, является захват и миграция изотопов водорода в этих материалах, особенно при воздействии интенсивного теплового потока. Необходимо, однако, признать, что эти процессы пока изучены недостаточно хорошо. В данной части проекта, мы изучали (1) влияние состава и микроструктуры вольфрамовых материалов на миграцию и удерживание дейтерия при разных ионных потоках, энергии ионов и дозах облучения, (2) выявление фундаментальных закономерностей и различий накопления и миграции дейтерия в материалах на основе вольфрама и на основе сталей, (3) воздействия многократных импульсов высокотемпературной дейтериевой и дейтериево-гелиевой плазмы на материалы для моделирования высоких импульсных тепловых нагрузок, актуальных для краевых локализованных мод (Элм) в ИТЭР и ДЕМО реакторах. Было установлено, что накопление дейтерия в вольфрамовых материалах увеличивается с уменьшением размера зерна, так как увеличивается количество дефектов, которые служат центрами захвата водорода. Получены данные о зависимости накопления и миграции дейтерия в перспективных материалах от температуры. Было установлено, что в вольфраме накопление дейтерия сначала увеличивается с температурой, а при температуре образца больше, чем 500 К уменьшается. Тогда как для вольфрамового покрытия, накопление дейтерия монотонно уменьшается с температурой. При увеличении энергии и потока дейтериевых ионов, накопление дейтерия при одной и той же дозе увеличивается, а также увеличивается концентрация дейтерия в приповерхостном слое вольфрама. Накопление дейтерия в ODS материалах на основе вольфрама и на основе сталей значительно больше, чем в вольфраме и на сталях. Получены данные о фундаментальных закономерностях и различиях накопления и миграции дейтерия в ODS материалах на основе вольфрама и на основе сталей. Получено, что в отличии от вольфрама, увеличение энергии ионов дейтерия от 20 до 200 эВ, а также увеличение потока ионов, приводит к уменьшению накопления дейтерия в ODS сталях из-за преимущественного распыления более легких элементов, входящих в состав сталей. Накопление дейтерия в ODS сталях уменьшается с увеличением температуры и увеличивается с увеличением дозы. Был изучен захват дейтерия в вольфрам с большой плотностью дислокаций и в вольфрам с большой плотностью моновакансий. Дислокации создавались путем пластической деформации, а моновакансии - путем облучения вольфрама 20 МэВ протонами. Причем, использовался метод позитронно-аннигиляционной время-пролетной спектроскопии для подтверждения образования моновакансий. Затем образцы облучались дейтерием с энергией от 200 эВ до 600 эВ при комнатной температуре, 400 К и 600 К. После облучения проводился термодесорбционный (ТДС) анализ. Наличие высокой концентрации дислокаций приводит к увеличению низкотемпературного пика (около 400 К), высокой концентрации моновакансий – к увеличению пика при 500 К, а высокая концентрация нано-пор приводит к увеличению ТДС пика при 800 К. Таким образом, впервые экспериментально доказано соответствие определенной энергии связи дейтерия определенному виду дефекта: энергии диссоциации дейтерия из дислокаций 0.85 эВ, из моновакансий 1.45 эВ и из нано-пор 2.1 эВ. Были проведены эксперименты по облучению высокотемпературной дейтериевой (D) и дейтериево-гелиевой (D+10%He) плазмой разных видов вольфрама (W): нано-структурированного вольфрамового покрытия толщиной 10 микрон на Еврофере и на композитном материале CFC; вольфрама, соответствующего спецификации ИТЭР, без и с гелиево-индуцированным вольфрамовым пухом, обозначенных в дальнейшем как W и Wf, соответственно. Параметры тепловых нагрузок соответствовали ожидаемым в ИТЭР во время переходных процессов, таких как ослабленный срыв. Показано, что нано-структурированные вольфрамовые покрытия на сталях и CFC лучше выдерживают высокие тепловые нагрузки, чем вольфрам: на поверхности и в объеме образуется меньше трещин как после облучение дейтериевой (D), так и после облучения D/He плазмой. Однако, так как покрытие было 10 микрон толщиной, оно отслоилось от подложки за 30 пульсов. Наличие He в образцах Wf (высокая концентрация He, 10^21 He/м2,) приводит к уменьшению удержания D как и после стационарного облучения плазмой, так и после воздействия плазменной пушки до 10 импульсов при температуре ниже температуры плавления. Мы объяснили это как уменьшение диффузии D по направлению к объему вольфрама, связанное с (i) формированием напряжений, индуцируемым пузырьками He, и (ii) образованием связанных между собой пузырьков гелия при высокой температуре, что приводит к открытой пористости для ускоренной десорбции D, тем самым уменьшая приток D в объем вольфрама. Но при уменьшении He в Wf ниже 10^19 He/м2, влияние He на удержание D после облучения плазменной пушкой исчезает: удержание D в W и Wf остается одинаковым после 30 импульсов воздействия чистой D-плазмы. Накопление D в Wf после облучения плазменной пушкой с силовой нагрузкой выше температуры плавления до 10 импульсов, значительно больше, чем в W без пуха. Такой эффект можно объяснить созданием полостей в модифицированной плавлением столбчатой структуре вблизи поверхности, которые могут содержать D. В обоих случаях воздействия плазменной пушки используя D или He/D плазму, захват дейтерия больше по сравнению со стационарным облучением D или He/D плазмы при температуре образца выше 600 К. При стационарном воздействии D+10%He плазмы, удержание D уменьшается по сравнению с воздействием D плазмы, и это уменьшение увеличивается с увеличением флюенса. В переходном режиме облучение D+10%He плазмой не влияет на удержание D до 10 импульсов, но приводит к снижению удержания D после 30 импульсов. В последнем случае накопление He в W больше, чем 10^19 He/м2. Таким образом получен порог влияния присутствия He в W на удержание D в W. Получено, что в обоих случаях воздействия плазменной пушкой используя D и D+10%He плазму, удержание D выше по сравнению с стационарным воздействием плазмы. Следовательно, ELMs должны быть подавлены, особенно при высокой мощности выше 1,2 МДЖ/м2, которое вызывает плавление, ведущее к нежелательным изменениям поверхности, приповерхностного слоя до нескольких десятков микрон и увеличению удержания изотопов водорода.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На начальном этапе ИТЭР будет использоваться гелиевая, He, плазма. Из-за неравномерности распределения температуры, потоков и энергии падающих частиц по поверхности дивертора, будут наблюдаться разные модификации поверхности и накопление гелия на разных участках дивертора. На данном этапе проекта изучалось взаимодействие низко- и высоко-температурной гелиевой плазмы с перспективными материалами на основе вольфрама и железа для использования в качестве материалов, контактирующих с плазмой в будущих токамаках. Получены как фундаментальные закономерности взаимодействия гелия с материалами, так и данные для применения в ИТЭР. 1) Взаимодействие гелия с перспективными материалами при малых потоках и дозах облучения. Показано, что накопление гелия при имплантации ионов гелия при низких потоках немного увеличивается в следующей последовательности Fe<Eврофер<СОД стали и W<W покрытие<W-Cr-Y. Однако, это увеличение накопления гелия несущественно по сравнению со значительным увеличением накопления дейтерия в зависимости от нано-структурирования и легирования металлов (см. отчет по гранту 2020 года). Существенной разницы в накоплении гелия в Еврофере, СОД стали, W и WCrY, облученных 3 кэВ гелием при комнатной температуре нет уже при достижении дозы 10^21 Не/m2. При достижении концентрации насыщения гелия (6x10^20 He/m2), которое достигается при дозе гелия 10^22 Не/m2 при энергии гелия 3 кэВ, различия в накопление гелия между материалами исчезают и идет начальная стадия формирования металлического пуха, то есть имеют место одинаковые структурные изменения материалов. Таким образом, размер зерна от нанометров до сотен микрометров и наноразмерное легирование несущественно влияют на рост пуха и захват гелия при облучении перспективных материалов ионами гелия при низких потоках и низких флюенсах гелия. В литературе описаны методы получения пуха только при больших потоках гелия. Следовательно, мы впервые получили пух при низких потоках и низких дозах гелия как на сталях, так и на вольфрамовых материалах. Сравнение наших экспериментальных данных по термодесорбции (ТДС) гелия из Еврофера и литературных расчетных данных по энергии диссоциации гелия из кластеров определенных размеров в железе позволило установить соответствие пиков ТДС выходу гелия из определенного вида гелиево-вакансионных комплексов (HenVm, где He это гелий, а V это вакансия) с определенной энергией связи. Были установлены следующие стадии освобождения гелия из гелиево-вакансионных комплексов из материалов на основе железа: 1. Стадия I: от 300 К до 600 К, гелий, диссоциированный из дислокаций или дислокационных петель; энергии связи от 0,87 эВ до 1,74 эВ 2. Стадия II: от 600 К до 800 К, десорбция из нестабильных кластеров HenVm с n/m больше 1,3; энергии связи от 1,74 эВ до 2,32 эВ 3. Стадия III: от 800 К до 900 К, десорбция стабильных и нестабильных кластеров HenVm с n/m около 1,3; энергии связи от 2,32 эВ до 2,6 эВ 4. Стадия IV: от 900 К до 1100 К, десорбция стабильных кластеров HenVm с n/m < 1,3; энергии связи от 2,6 эВ до 3,19 эВ 5. Стадия V. Эта стадия различна для железа, Еврофера и СОД сталей. Для СОД сталей, она отсутствует. Fe: от 1100 К до 1200 К, энергии связи от 3,19 эВ до 3,48 эВ. Эта стадия связана с десорбцией гелия, вызванной α–γ преобразованием железа и может рассматриваться как следствие структурной неустойчивости вокруг пузырьков гелия в процессе трансформации. Еврофер: от 1200 К до 1500 К, энергии связи от 3,48 эВ до 4,35 эВ. Эта стадия может быть связана с захватом He на карбидах металлов в случае Еврофера, MexCy, присутствующих в Еврофере, HenMexCy, или в вакансии, декорированных углеродом, HenVmCx. Это подтверждается и тем, что спектры ТДС для СОД сталей не имеют пика при 1300 К, так как не содержат углерода. Стабильность гелиевых пузырьков c разным содержанием гелия устанавливалась на основе in-situ и ex-situ экспериментов. Еx-situ эксперименты показали, что что комплексы HenVm в диапазоне температур 600-800 К нестабильны и превращаются в стабильные комплексы HenVm в диапазоне температур 900-1100 К после контакта с атмосферой. Пики TDS, равные 460 К и 1300 К, заметно не меняются после нескольких месяцев хранения образца на воздухе, что указывает на стабильные дефекты. Таким образом, был сделан вывод, что кластеры HenVm с n/m>1,3 нестабильны, тогда как кластеры HenVm с n/m≤1,3 стабильны. 2) Взаимодействие стационарной высокотемпературной гелиевой плазмы с перспективными материалами при высоких потоках и дозах облучения. Известно, что при воздействии ионов He на вольфрам при температуре образца 1000-2000 К, низкой энергии падающих ионов 20-200 эВ и высоком потоке/флюенсе 10^21-10^24/10^24-10^28 Не/м2с/Не/м2 происходит образование наноструктурированного металлического "пуха". Такие условия облучения предполагаются на локальных участках дивертора, поэтому нельзя исключать формирование вольфрамового "пуха" в будущих термоядерных установках. Было проведено сравнение условий создания пуха и плотности пуха при взаимодействии высокотемпературной гелиевой плазмы с перспективными материалами на основе вольфрама и железа на разных установках, а именно, недавно созданной экспериментальной установке с высокочастотным индукционным разрядом, ВЧИ, и на созданной в этом году линейной плазменной установке с пучково-плазменным разрядом, BPD. Это сравнение показало идентичность создаваемого пуха на разных плазменных установках при одинаковых условиях облучения. Было получено, что пух растет на вольфрамовых материалах и сталях при облучении высокотемпературной плазмой при температурах материалов (0.25-0.3)×Tпл, где Tпл – это температура плавления материала, при энергии падения ионов 20-400 эВ и высоком потоке 10^21 Не/м2с и флюенсе 10^24-10^25 Не/м2. Различия в накоплении гелия в разных материалах и при добавление легирующих элементов в сплав были незначительными. Различия в структуре и плотности пуха, полученного при облучении Еврофера и СОД стали, а также вольфрама и его сплавов, в одинаковых плазменных условиях, не наблюдались. Таким образом, размер зерна от нанометров до сотен микрометров и наноразмерное легирование несущественно влияют на рост пуха и захват гелия при облучении перспективных материалов высокотемпературной плазмой, также как и в случае облучения низкотемпературной плазмой. Влияние металлического "пуха" на взаимодействие плазмы с поверхностью все еще в значительной степени неизвестно, но ожидается, что это может радикально изменить работу токамака, поскольку рост "пуха" может привести к значительному увеличению производства металлической пыли в результате крупномасштабной эрозии отдельных зерен и нано-дендридов. Поэтому, чтобы предотвратить рост "пуха", было изучено влияние примесей аргона (Ar) и неона (Ne) с концентрацией от 0,25 до 9% в стационарной гелиевой плазме. Энергия падающих ионов варьировалась от 70 до 150 эВ для изучения влияния распыления W путем примесей в стационарной гелиевой плазме на рост "пуха". Сравнение условий подавления роста пуха на двух установках в МИФИ показало, что в случае 150 эВ удержание He увеличивается в W при 0,25-1 % примеси Ar в плазму He и уменьшается с дальнейшим увеличением концентрации Ar с 1 % до 9 % и, соответственно, уменьшается рост "пуха". В то время как примесь Ne всегда приводила к уменьшению удержания He при энергии ионов 150 эВ. При низкой энергии ионов, 70 эВ, примеси как Ne, так и Ar увеличивают накопление He что, следовательно, приводит к увеличению роста "пуха’. Причиной может быть распыление поверхности ионами аргона и неона при 150 эВ, тогда как при низких энергиях ионов примесных атомов, создаваемые ими дефекты служат ловушками для гелия, увеличивая его содержание в образце и не способствуя подавлению роста пуха. 3) Влияние краевых локализованных мод, ЭЛМ-ов, на модификацию поверхности и накопление дейтерия образцов с пухом (помеченные ‘f’) и без пуха проводилось облучением плазменной пушкой на КСПУ в Тринити. Было установлено, что для сплава W-Y-Cr тепловые нагрузки большие или равные 0,7 МДж/м2 оказались критическими – половина из облученных образцов разрушилась. Образцы выдерживали лишь уменьшенные нагрузки до 0,5 МДж/м2. Влияние пуха, выращенного на W-Y-Cr оказывает такое же действие на модификацию поверхности и на накопление дейтерия, как и в с случае с вольфрамом. А именно при температурах ниже плавления в W-Y-Cr c «пухом», как и в случае W c «пухом», исходные нано-волокна агломерируют в более толстые волокна в результате плавления и частично удаляются с ростом числа импульсов, а накопление дейтерия сначала уменьшается до 10 импульсов облучения плазменной пушкой, а потом становиться одинаковым как и в материале без пуха, так как пух отжигается. Облучение как и W, так и Wf, при 1,7 МДж/м2, что выше температуры плавления вольфрама, приводило к увеличению захвата дейтерия при 30 импульсах по сравнению с 10 импульсами. Это можно объяснить более глубоким проникновением D в W с увеличением числа импульсов в результате движения в расплаве металла, что аналогично увеличению мощности нагрузки. Температурный градиент в результате силовой нагрузки и продолжительности времени сильно увеличивает миграцию D в объем W. Облучение как и W, так и Wf, при 0,7 МДж/м2, что ниже температуры плавления вольфрама, приводило к уменьшению захвата дейтерия при импульсах до 30 по сравнению с 10 импульсами. Это можно объяснить созданием микротрещин, которые являются путями ускоренной десорбции дейтерия во время облучения и остывания образца.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследовалось влияние захвата гелия на накопление дейтерия в перспективных материалах для термоядерного синтеза и для новых современных ядерных реакторов. Накопление дейтерия (D) и гелия (He) в материалах нового поколения на основе вольфрама и на основе мало-активированных сталей исследовалось с помощью термодесорбционной спектроскопии после облучения плазмой как в стационарном режиме, так и при переходных процессах, таких как краевые локализованные моды (Элмы), который ожидаются как в ИТЭР, так и в ДЕМО реакторах. Оценочные параметры Элмов в ИТЭР составляют время импульса τ = ∼1 мс; частота f = 1-2 Гц; и тепловая нагрузка Q = (0.5-1.2) ± 0.6 MДж/м2, а в ДЕМО тепловая нагрузка может увеличиваться до 1.7 MДж/м2. Уникальность экспериментов, проводимых на «КСПУ-Т» в ТРИНИТИ, заключается в возможности получения импульсных потоков плазмы, моделирующих условия Элм-подобных событий, ожидаемых в ИТЭР. В данной части работы, исследовался режим до температуры плавления с тепловой нагрузкой 0,7 МДж/м2. Было получено, что предварительное облучение ионами He приводит к образованию дополнительных дефектов, которые удерживают дейтерий в модифицированном He слое путем захвата D на дефектах, индуцированных He, при низких флюенсах. Общая тенденция влияния гелия на удержание дейтерия в современных сплавах (W-Cr-Y, Eврофер, СОД стали) очень похожа на удержание дейтерия в чистых металлах, а именно, удержание дейтерия увеличивалось до тех пор, пока флюенс гелия не достигал значения 10^21 Hе/м2, а затем немного уменьшалось, когда флюенс превышал это значение. После насыщения поверхности гелием, одинаковое удержание D было измерено в различных оцк металлах и их сплавах, несмотря на различия в структуре и легирующих элементах. То есть накопление дейтерия определялось только наличием высокой концентрации гелия в материале и это накопление было больше, чем при облучении чисто дейтериевой плазмой. Заметим, что при облучении чисто дейтериевой плазмой, накопление дейтерия всегда было больше в сплавах, чем в чистом металле, и зависело от размера зерен, наличия микропор и легирующих элементов, как было показано в первой части данного проекта. В случае высокого потока/флюенса наблюдается систематическое снижение удержания D как и в вольфрамовых материалах, так и в современных сталях, после воздействия D+10%He плазмы по сравнению с воздействием чистой D плазмы. Это связано с тем фактом, что удержание D определяется диффузией в более глубокую область в объем материала в случае высоких потоков. Модифицированный He слой предотвращает диффузию D в объем металла, что является основным фактором, определяющим накопление водорода при длительном облучении. Уменьшение диффузии D в объем материала может быть вызвано (i) полем деформации, вызванным пузырьками He, и (ii) образованием взаимосвязанных пузырьков He, что приводит к открытой пористости для ускоренной десорбции D, таким образом, уменьшая приток D в объем. Следовательно, экстраполяция данных при низком потоке/флюенсе на данные при высоком потоке/флюенсе может быть неверной. Тот же вывод можно сделать и в случае экстраполяции удержания D, измеренного с помощью метода ядерных реакций, NRA, на общее накопление D. Данные NRA показывают профиль концентрации D только в диапазоне 3-8 мкм в зависимости от экспериментального оборудования. Удерживание D, измеренное с помощью NRA, может быть выше в случае D-плазмы с примесью He по сравнению с чистой D-плазмой, поскольку D захватывается кластерами He вблизи поверхности. Однако общее удержание D, измеренное с помощью термодесорбционной спектроскопии, TDS, будет ниже в случае D-плазмы с примесью He по сравнению с чистой D-плазмой из-за уменьшения диффузии D в объем материала в случае присутствия He вблизи стороны облучения. Следовательно, экстраполяция данных NRA, как делается во многих статьях, особенно в случае высокого потока/флюенса, может привести к неверным выводам. Разница между накоплением дейтерия при облучении чисто D плазмой и D+10%He плазмой увеличивается с увеличением дозы облучения и температуры. Таким образом, при длительном стационарном воздействии плазмы, примесь He в дейтериевой плазме приводит к уменьшению удержания D, и это уменьшение увеличивается с увеличением дозы облучения и температуры образца. В переходном режиме при температурах ниже порога плавления материала (Тm) примесь He в дейтериевой плазме не оказывает заметного влияния на удержание D до 10 импульсов, но приводит к уменьшению удержания D после 30 импульсов. В последнем случае удержание He в W выше 10^19 He/м2. Данная величина гелия, по-видимому, является пороговым значением для начала влияния присутствия He в W на удержание D в W. В обоих случаях воздействия плазменной пушки с чистым D и 10%-ной примесью He, удержание D выше по сравнению с воздействием плазмы в стационарном режиме при температуре образца выше 600 K. Следовательно, присутствие He в металлической решетке может оказывать доминирующее влияние на удержание D в будущих термоядерных устройствах вместе с нейтронным облучением и высоким температурным градиентом. Примеси инертных газов добавляются для предотвращения срывов плазмы или их смягчения. Однако, в случае таких срывов, которые не исключаются, необходимо знать их влияние на разрушение материала и накопление топлива. Поэтому в данной работе, мы исследовали влияние ожидаемых краевых локализованных мод (Элмы) на накопления топлива. Это влияние было рассмотрено как непосредственно во время переходных процессов, так и после создания повреждений высоким тепловым потоком, а именно при облучении поврежденного материала стационарной плазмой. Впервые было показано, что с добавлением примеси Ar либо Ne, накопление дейтерия в материалах на основе вольфрама увеличивается по сравнению с облучением чистым D при числе импульсов до 10. C увеличением числа импульсов, удержание дейтерия уменьшается как и для чисто дейтериевой плазмы, так и для D+1%Ar. Однако, удержание дейтерия не изменяется при облучении вольфрамовых материалов D+1%Ne плазмой при 10 и 30 импульсов и, таким образом, при 30 импульсах накопление дейтерия больше при облучении D+1%Ne плазмой, чем при облучении чисто дейтериевой плазмой и D+1%Ar. При облучении тройным пучком D+1%Ne+10%He или D+1%Ar+10%He, наблюдаются начальная стадия формирования гелиевых пузырьков. Однако существенного изменения удержания дейтерия в образцах при наличии примеси гелия в дейтериевой плазме с примесями аргона или неона не наблюдалось. Можно предположить, что гелий, осаждаясь на поверхность, распыляется ионами аргона и неона, поэтому эффект от присутствия гелия в пучке исчезает. Этот вывод подкрепляется данными ТДС спектра гелия, где видно значительное уменьшение гелия в случае облучения вольфрамового пуха дейтериевой плазмой с примесью аргона по сравнению с облучением чисто дейтериевой плазмой. Выявлено, что облучение вольфрама с He-индуцированным «пухом» дейтериевой плазмой с примесью аргона приводит к тому, что влияние гелия, проявляющиеся в уменьшении накопления дейтерия, исчезает. Можно сделать вывод, что использование примеси Ne в дейтериево-гелиевой плазме предпочтительно по сравнению с Ar с точки зрения накопления радиактивного топлива на большей части поверхности дивертора. Кроме того, наличие примеси Ar в плазме будет приводит к распылению в тех местах дивертора, где произошло формирование наноструктурированного вольфрамового пуха, тем самым увеличивая эрозию материала в плазму, которая может привести к охлаждению плазмы и прекращению разряда. Вольфрамовые мишени подвергались высоким термическим нагрузкам на установке JUDITH e-beam, что привело к растрескиванию поверхности. Было установлено, что повреждения высокими тепловыми потоками увеличивают накопление дейтерия в W в 6 раз, что соизмеримо с накоплением дейтерия в дефектах, создаваемых нейтронным облучением. Таким образом, после переходных событий, подобных срывам или Элмам, удержание D будет увеличено из-за удержания D в трещинах, вызванных высоким тепловым потоком.