Carbon-based materials are the unique choice as plasma-facing materials (PFMs) for the successful operation of fusion devices with magnetically confined plasma, such as the planned International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), in order to withstand the highest expected power densities (up to 20 MW/m2) without major degradation. Particularly, carbon fibre reinforced carbon materials (CFC) has been suggested as good PFM choice for certain areas of the vessel wall of ITER, due to their improved mechanical properties compared to other carbon materials, in spite of the high costs associated with their manufacture. But carbon-based materials possess a high chemical reactivity with hydrogen ions incident from the plasma as well as the ability to trap hydrogen in co-deposited layers, leading to short lifetime of the components and high tritium inventories, i.e. risk of radioactive contamination. As an alternative to CFCs, new isotropic fine-grain graphites doped with metal carbides have been produced in order to reduce the high chemical erosion yield under hydrogen impact. This reduction would simultaneously diminish the co-deposition and increase the lifetime of the carbon components. With the addition of dopants further beneficial effects are searched, such as an enhancement of the thermal conductivity as well as improved mechanical properties. The chemical erosion behaviour and the deuterium retention of these improved doped graphites under deuterium bombardment are characterised in this work. Due to the expectation of a more pronounced effect of doping with a finer distribution of the dopants, magnetron-sputtered nano-dispersed metal-doped carbon films were additionally investigated in order to elucidate the mechanisms of the mitigation of the chemical erosion. The obtained results are very promising: at low temperatures and deuterium impact energies, dopant enrichment on the surface due to preferential sputtering of carbon strongly contributes to a reduction of the erosion yield; at elevated temperatures, an almost complete suppression of the chemical erosion yield measured by the production of CD4 molecules is observed when dopants are nano-dispersed, which can be explained by a reduction of the activation energy for hydrogen release; and finally, the investigated doped graphites have a similar or even lower deuterium retention by implantation than other graphites.
Translated abstract:
Materialien auf der Basis von Kohlenstoff sind die bevorzugte Wahl für die erste dem Plasma gegenüberstehende Wand in Anlagen zur kontrollierten thermonuklearen Fusion mit magnetisch eingeschlossenem Wasserstoffplasma, wie dem geplanten Internationalen Tokamak Reaktor Experiment (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). Kohlenstoffe können mit der höchsten bei ITER erwarteten Leistungsdichte (etwa 20 MW/m2) ohne wesentliche Schädigung belastet werden. Vor allem mit Kohlenstofffasern verstärkter Kohlenstoff (carbon fibre reinforced carbon, CFC) ist, trotz seiner hohen Kosten, auf Grund seiner gegenüber normalem Kohlenstoff verbesserten mechanischen Eigenschaften für bestimmte sehr hoch belastete Wandstellen bei ITER vorgesehen. Kohlenstoffmaterialien zeigen jedoch eine hohe chemische Reaktivität und Erosion durch die Wasserstoffionen aus dem Plasma, was zu einer kurzen Lebensdauer der Wandkacheln führt. Außerdem können sich auf den Wänden durch sogenannte Co- Deponierung, sowie direkte Deponierung von Kohlenwasserstoffen, große Mengen von Tritium in den Oberflächenschichten der Wände ansammeln. Diese akkumulierte Radioaktivität stellt ein großes Risiko dar. Als eine mögliche Alternative zu CFC-Materialien wurden neue isotrope mit Metallkarbiden dotierte hergestellt. Diese sollten eine kleinere Erosion bei Wasserstoffbeschuss zeigen, das heißt eine längere Lebensdauer haben und zugleich das Aufsammeln von Wasserstoffisotopen durch Co-Deponierung vermindern. Durch die Dotierung erwartet man weitere Vorteile, wie die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Die hier vorgelegte Arbeit behandelt die chemische Erosion dieser verbesserten dotierten Kohlenstoffe und bringt Ergebnisse über das Aufsammeln von eingeschossenen Wasserstoffionen. Da man erwartete, dass die Dotierung den Kohlenstoff umso deutlicher verbessert, je feiner und gleichmäßiger sie verteilt ist, wurden auch durch Magnetron-Zerstäubung hergestellte dotierte Kohlenstoffe mit nano-dispersen Dotierungen bezüglich der Mechanismen der Reduktion der chemischen Erosion untersucht. Die Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Bei niedrigen Temperaturen und kleinen Energien der Deuterium-Ionen zeigt sich eine verringerte Erosion auf Grund der angereicherten Dotierung in Folge der präferentiellen Erosion des Kohlenstoffs durch chemische Erosion. Bei höheren Temperaturen ist die chemische Erosion, die über die Emission von CD4 gemessen wurde, bei den nano-dispers dotierten Graphiten fast vollständig unterdrückt. Dies wird damit erklärt, dass durch die Dotierung die Aktivierungsenergie für die Freisetzung von Wasserstoff erniedrigt wird. Zusätzlich zeigen die dotierten Graphite eine kleinere Rückhaltung von eingeschossenem Wasserstoff als reiner Kohlenstoff.
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