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Nov 26, 2023

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 16042 (2015) Diesen Artikel zitieren

Kenntnisse über die Entwicklung mechanischer und physikalischer Eigenschaften aufgrund von Strahlungsschäden sind für die Entwicklung zukünftiger Spalt- und Fusionsreaktoren von entscheidender Bedeutung. Die Ionenbestrahlung stellt einen hervorragenden Proxy für die Untersuchung von Strahlenschäden dar und ermöglicht hohe Schadensdosen ohne Probenaktivierung. Aufgrund der begrenzten Eindringtiefe der Ionen entstehen nur wenige Mikrometer dicke beschädigte Schichten. Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die mechanischen Eigenschaften dieser dünnen implantierten Schichten zu untersuchen. Obwohl sie für das Reaktordesign von entscheidender Bedeutung sind, sind ihre Wärmetransporteigenschaften aufgrund des Mangels an geeigneten Messtechniken noch weitgehend unerforscht. Hier demonstrieren wir berührungslose Messungen der Temperaturleitfähigkeit in ionenimplantiertem Wolfram für Kernfusionspanzerungen. Das Legieren mit Transmutationselementen und die Wechselwirkung von zurückgehaltenem Gas mit implantationsbedingten Defekten führen beide zu einer dramatischen Verringerung der thermischen Diffusionsfähigkeit. Diese Veränderungen werden von unseren Modellierungsansätzen gut erfasst. Unsere Beobachtungen haben wichtige Implikationen für die Gestaltung zukünftiger Fusionskraftwerke.

Die Kernfusion ist eine ideale nachhaltige Energiequelle. Eine große Hürde für die kommerzielle Entwicklung ist die Verfügbarkeit ausreichend belastbarer Materialien. Legierungen auf Wolframbasis sind die Hauptkandidaten für plasmazugewandte Komponenten in künftigen Fusionsreaktoren mit magnetischem Einschluss1. In einem Demonstrationsreaktor (DEMO) werden sie hohen Temperaturen (~1500 K), Bestrahlung mit 14,1 MeV Fusionsneutronen und einem großen Fluss energiereicher Ionen (bis zu 15 MWm−2)2,3 ausgesetzt. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist eines der Hauptkriterien für die Materialauswahl4. Eine erhebliche Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit könnte zu übermäßigen Temperaturen mit möglicherweise katastrophalen Folgen für die Integrität der Fusionspanzerung führen5.

Die Einwirkung von 14,1-MeV-Neutronen auf die Fusionspanzerung führt zu Kaskadenschäden und Transmutationslegierungen. Berechnungen zeigen, dass nach fünf Betriebsjahren zunächst reines Wolfram (W) in einem DEMO-Divertor bis zu 4 Atom-% Rhenium (Re)6 enthalten würde. Eine W-5%Re-Legierung hat bei Raumtemperatur weniger als die Hälfte der thermischen Diffusionsfähigkeit von reinem Wolfram7,8. Die Quantifizierung der Auswirkungen von Schäden durch Fusionsneutronenkaskaden auf die Wärmeleitfähigkeit ist schwieriger. Als Stellvertreter wurde der Wärmetransport in mit Spaltneutronen bestrahltem Wolfram in Betracht gezogen9,10. Ein Schadensniveau von 0,6 Verschiebungen pro Atom (dpa), das in DEMO6 in drei Monaten erreicht werden würde, führte zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur um 25 %10.

Eine interessante Rolle spielt Helium, das durch Transmutation6 entsteht und ebenfalls aus dem Plasma in die Wolframmatrix implantiert wird. Bei erhöhten Temperaturen wandert Helium von Oberflächen in die Masse und interagiert stark mit strahlungsinduzierten Defekten11, bindet an Leerstellen12,13 und unterdrückt deren Rekombination mit selbstinterstitiellen Atomen (SIAs)14. Die Heliumionenimplantation ist ein effizientes Instrument zur Untersuchung dieser Wechselwirkung15 und es wurden große Anstrengungen in die Entwicklung mikromechanischer Ansätze investiert, mit denen sich die mechanischen Eigenschaften mikrometerdünner ionenimplantierter Schichten quantifizieren lassen16,17,18.

Die thermischen Transporteigenschaften ionengeschädigter Schichten sind jedoch mangels geeigneter experimenteller Techniken noch weitgehend unerforscht. Die oben zitierten Referenzen verwendeten entweder eine Laserblitztechnik8,9,10 oder elektrische Widerstandsmessungen7. Beide sind nur für Massenproben geeignet. Kürzlich wurden zwei neue Ansätze vorgeschlagen, die 3-Omega-Technik19 und thermische Reflexionsmessungen20,21, um den Wärmetransport in dünnen, ionenbestrahlten Oberflächenschichten zu quantifizieren. Ersteres erforderte die Abscheidung komplexer Oberflächenmerkmale auf der Probe und zeigte erhebliche experimentelle Unsicherheiten. Letzteres erforderte die Beschichtung von Proben und die Sondierungstiefe hing von der a priori unbekannten thermischen Diffusionsfähigkeit ab.

Hier präsentieren wir einen neuen, völlig anderen Ansatz zur Messung der Wärmetransporteigenschaften ionenimplantierter Materialien. Mithilfe der berührungslosen laserinduzierten transienten Gittertechnik (TG)22 quantifizieren wir die Wärmeleitfähigkeit in wenigen Mikrometer dicken Schichten aus mit Helium implantiertem Wolfram. Der Effekt der Transmutationslegierung wird durch die Betrachtung von Wolfram-Rhenium-Legierungen nachgeahmt. In beiden Arten von Proben finden wir erhebliche Veränderungen in der thermischen Diffusionsfähigkeit. Sie werden mithilfe eines kinetischen Theoriemodells analysiert und geben Einblick in die zugrunde liegende Defektverteilung. Unsere Ergebnisse werden im Lichte der aktuellen Entwurfspraxis für zukünftige Fusionsreaktoren diskutiert.

Bei TG-Messungen werden zwei kurze Anregungslaserimpulse verwendet, die sich mit einem genau definierten Kreuzungswinkel auf der Probe überlappen (Abb. 1 (a)). Durch Interferenz der Pulse entsteht ein räumlich sinusförmiges Intensitätsgitter mit einem Streifenabstand λ23. Durch Absorption des Lichts entsteht ein Temperaturgitter mit der Periode λ. Eine schnelle Wärmeausdehnung löst auch zwei sich gegenläufig ausbreitende akustische Oberflächenwellen (SAWs) aus24. Sowohl das thermische Gitter als auch die SAWs verursachen Verschiebungen der Probenoberfläche. Diese werden durch Beugung eines quasikontinuierlichen Sondenstrahls erfasst, der mit einem reflektierten Referenzstrahl überlagert ist (Abb. 1 (b)). Abb. 1(c) zeigt das von einer reinen Wolframprobe gemessene Signal, das eine Reihe von Schwingungen aufgrund der sich ausbreitenden SAWs zeigt, die einem Hintergrund aufgrund des abnehmenden Temperaturgitters überlagert sind.

Messungen des transienten Gitter-Wärmetransports.

(a) Schematische Darstellung des Messaufbaus mit Darstellung der Anregungsstrahlen (zum Zeitpunkt t = 0), die das periodische transiente Gitterlichtmuster (schematisch in grün dargestellt) auf der Probe bilden. (b) Zum Zeitpunkt t > 0 werden das Temperaturgitter und die sich gegenläufig ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen an der Probenoberfläche (beide schematisch in hellgrau dargestellt) untersucht. Zur Heterodyndetektion wird der gestreute Sondenstrahl mit einem reflektierten Referenzstrahl kombiniert. (c) Experimentell aufgezeichnete Zeitspur der Streusondenintensität für die reine Wolframprobe bei 296 K. Ebenfalls gezeigt ist eine Anpassung an die experimentellen Daten. Eingefügt sind Zeitspuren, die für reines Wolfram und mit 3100 ppm Helium implantiertes Wolfram aufgezeichnet wurden, beide bei 296 K. Der thermische Gitterzerfall in der implantierten Probe ist sichtbar langsamer.

Auf der Oberfläche von Massenproben erfolgt der Wärmetransport sowohl in der Ebene, von den Spitzen zu den Tälern des Thermogitters, als auch in die Tiefe der Probe. Das Oberflächenprofil aufgrund des thermischen Gitters folgt einem nicht-exponentiellen Abfall23:

Hier ist t die Zeit und α die isotrope Wärmeleitfähigkeit, α = κ/C, wobei κ die Wärmeleitfähigkeit und C die volumetrische Wärmekapazität ist. Die Wärmeleitfähigkeit wird durch Anpassen von Gleichung bestimmt. 1 zu den experimentellen Daten, auch unter Berücksichtigung der sinusförmigen Variation aufgrund von SAWs (siehe ergänzende Abschnitte 1 und 2). Abbildung 1(c) zeigt die Anpassung an reine Wolframdaten.

TG-Messungen haben gegenüber den zuvor genannten Ansätzen mehrere wichtige Vorteile. Es ist weder eine Probenbeschichtung noch ein Kontakt mit den Proben erforderlich. Eine gut polierte Probenoberfläche, die eine Spiegelreflexion der Sonden- und Referenzstrahlen ermöglicht, ist ausreichend. Die Sondierungstiefe wird direkt durch die experimentelle Geometrie vorgegeben. Die Genauigkeit thermischer Messungen ist von Natur aus hoch, da die Technik nicht auf der Messung einer Temperaturdifferenz oder eines Wärmeflusses beruht. Gleichzeitig liefern die Messungen auch Daten zu akustischen Oberflächenwellen, die für sehr empfindliche Messungen elastischer Eigenschaften verwendet werden können24.

Wärmetransportmessungen wurden an 99,9 % reinem Wolfram und an Proben aus Wolfram-Rhenium-Legierungen (W-1 %Re, W-2 %Re) durchgeführt, um die Auswirkungen der Transmutationslegierung nachzuahmen. Zwei reine Wolframproben wurden bei 300 °C mit Helium implantiert, wobei mehrere Ionenenergien verwendet wurden, um ungefähr gleichmäßige vorhergesagte Heliumkonzentrationen von 280 ± 40 Atomteilen pro Million (Appm) bzw. 3100 ± 480 Appm in einer 2,6 μm dicken Oberflächenschicht zu erreichen25. Ersteres ahmt die maximale Heliumkonzentration nach, die durch die Transmutation zu erwarten ist6, während letzteres dazu dient, den Effekt größerer Heliumkonzentrationen aufgrund der Heliummigration von der Materialoberfläche26 zu untersuchen. Der mit den Heliumimplantationen verbundene Schaden, der mithilfe des SRIM-Codes (Stopping Range of Ions in Matter)27 vorhergesagt wurde, betrug 0,017 ± 0,004 dpa bzw. 0,19 ± 0,04 dpa. Berechnete Implantationsprofile sind in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt.

Eine wichtige Frage betrifft die Wahl der transienten Gitterperiode λ. In Massenproben untersuchen TG-Messungen die thermischen Eigenschaften bis zu einer Tiefe von etwa 23 µm. Die Dicke der implantierten Schicht in den Helium-implantierten Proben beträgt etwa 2,6 μm. Um sicherzustellen, dass das nicht implantierte Substrat die Wärmetransportmessungen nicht beeinflusst, wurde ein Wert von λ = 2,74 μm gewählt. Reines Wolfram wurde bei Temperaturen von 140 K, 200 K, 296 K, 373 K und 473 K gemessen, während alle anderen Proben bei den letzten drei Temperaturen gemessen wurden. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die gemessenen Temperaturleitfähigkeiten für die Legierungsproben bzw. die mit Helium implantierten Proben.

Wärmeleitfähigkeit von Wolfram-Rhenium-Legierungen.

Gemessene (offene Symbole) und modellierte (durchgezogene Linien) Temperaturleitfähigkeit. Außerdem sind Literaturreferenzdaten für die thermische Diffusionsfähigkeit von reinem Wolfram dargestellt28,32,33 (gestrichelte violette Linie). Die thermische Diffusionsfähigkeit kann aus der Anpassung an unsere Daten extrapoliert und mit Laserblitzmessungen von Fujitsuka et al.8 (durchgezogene Symbole) verglichen werden. Die Variation in den Modelllinien aufgrund der Unsicherheit bei der Schätzung der Streurate ähnelt der Symbolgröße.

Wärmeleitfähigkeit von mit Helium implantiertem Wolfram.

(a) Elektronenstreuraten an hochenergetischen Atomstellen in den Farben Blau (0,5 THz) – Grün – Gelb – Rot – Rosa (3,5 THz) für 900 appm Frenkel-Paardefekte in 131.000 Wolframatomen bei 300 K. Leerstellen werden als blaue „Käfige“ gesehen ” von 8 Atomen umgeben die freie Stelle, während Zwischengitterplätze als ½ <111> Crowdions gesehen werden. Massenatome werden nicht angezeigt. (b) Gemessene (offene Symbole) und modellierte (Linien) thermische Diffusionsfähigkeit für mit Helium implantiertes Wolfram. Die Modellreihen gelten für Frenkel-Paare mit 0 (schwarz), 300 (blau), 900 (grün) und 3000 (rot) appm in Bulk-Wolfram. Gestrichelte Linien markieren die Extrapolation außerhalb des angepassten Temperaturbereichs.

Die gemessene thermische Diffusionsfähigkeit von Wolframlegierungen kann mithilfe eines kinetischen Theoriemodells analysiert werden (siehe Einzelheiten im ergänzenden Abschnitt 3). Vorausgesetzt, wir bleiben in der Grenze der verdünnten Legierung, sind die Hauptwärmeträger bei oder über der Debye-Temperatur (312 K in Wolfram28) Elektronen29. Variationen in der thermischen Diffusionsfähigkeit können dann auf Änderungen in der Elektronenstreuzeit τe zurückgeführt werden. Gemäß der Regel von Matthiessen ist die gesamte Elektronenstreurate die Summe der Streuraten von Verunreinigungen, Phononen und anderen Elektronen, vorbehaltlich der Ioffe-Regel-Grenze, dass die mittlere freie Weglänge der Elektronen nicht viel kleiner sein kann als der Abstand zwischen Atomen30. 31. Eine Anpassung dieses Modells an unsere experimentellen Daten für reines Wolfram ist in Abb. 2 (schwarze Linie) dargestellt. Unsere Messungen stimmen sehr gut mit Literaturreferenzdaten für reines Wolfram überein (Abb. 2 gestrichelte Linie)28,32,33 und liegen innerhalb von weniger als 10 % der von Fujitsuka et al.8 gemessenen Daten (ebenfalls in Abb. 2 dargestellt). ). Dies liefert einen schlüssigen Beweis für die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der TG-Technik zur kontaktlosen Charakterisierung des Wärmetransports.

Für die Wolfram-Rhenium-Legierungen passen wir einen weiteren Parameter an, die Streurate aufgrund eines Rheniumatoms in einer Wolframmatrix, und finden σ0,Re = 1,38 ± 0,1 THz. Wir können dann auf höhere Rheniumkonzentrationen extrapolieren. In Abb. 2 sind Linien für 5 % bis 25 % Rheniumlegierungen dargestellt, mit entsprechenden experimentellen Messungen von Fujitsuka et al.8. Obwohl diese Rheniumkonzentrationen über der erwarteten Gültigkeitsgrenze des Modells für verdünnte Legierungen liegen, ist die Übereinstimmung überraschend gut und zeigt, dass die TG-Technik zuverlässige und übertragbare thermische Parameter liefert.

Bei niedrigen Temperaturen können wir mithilfe des Wiedemann-Franz-Gesetzes29 abschätzen, dass die Änderung des spezifischen Widerstands aufgrund eines einzelnen Rheniumatoms in der Wolframmatrix δρRe = 127 ± 10 μΩcm/Atombruch beträgt. Dieser Wert kann mit dem direkt gemessenen experimentellen Wert δρRe = 145 μΩcm/Atombruch7 verglichen werden. Offensichtlich ist die Übereinstimmung gut, obwohl unsere Schätzung etwas niedrig ausfällt, da wir die Phononenleitfähigkeit bei unserer Behandlung vernachlässigt haben.

In den mit Helium implantierten Wolframproben sind Schäden in Form von Leerstellen und Selbsteinlagerungen vorhanden34. Da leitende Elektronen von jedem Atom gestreut werden können, das mit einer Leerstelle oder einem interstitiellen Defekt verbunden ist, ist es unangemessen, diese Defekte als sehr starke Punktstreuer zu behandeln (siehe ergänzender Abschnitt 4). Stattdessen verwenden wir ein empirisches atomistisches Modell, um die Wärmeleitfähigkeit der beschädigten Schicht abzuschätzen31 (siehe ergänzender Abschnitt 5). Dieses Modell berechnet die Elektron-Phonon-Streuung lokal an jedem Atomort und den größeren Beitrag der Mott-Jones-Verunreinigungsstreuung an Atomen mit deutlich mehr Energie als dem thermischen Durchschnitt. Die Gesamtstreuung aufgrund einer mit Helium gefüllten Leerstelle dürfte der einer leeren Monolücke sehr ähnlich sein, da die Heliumatome keine Valenzelektronen beisteuern35. Daher ist dieses Atommodell nur an die gemessene Leitfähigkeit von reinem Wolfram im Bereich von 300–600 K28 und den spezifischen Widerstand pro Frenkel-Paar36 angepasst. Die Streurate an atomaren Stellen ist in Abb. 3 (a) dargestellt und verdeutlicht die verteilte Natur der Streuung aufgrund von Leerstellen und interstitiellen Defekten.

Bei der Implantationstemperatur von 573 K ist die Leerstellenmobilität gering und es ist keine signifikante Leerstellenanhäufung und kein Blasenwachstum zu erwarten37,38. Es ist jedoch schwierig, die Anzahl der Zwischengitterplätze und Leerstellen, die nach der Implantation bei endlicher Temperatur in der Probe zurückbleiben, genau zu quantifizieren. Schadensberechnungen mit SRIM27 zeigen, dass pro injiziertem Helium etwa 60 Frenkel-Paare gebildet werden, von denen die meisten fast unmittelbar nach der Erzeugung wieder rekombinieren. Die von uns beobachteten Veränderungen sind auf die wenigen verbleibenden Defekte zurückzuführen, die sich nicht rekombiniert haben. Daher haben wir die thermische Diffusivität für einen Bereich von Frenkel-Paar-Konzentrationen modelliert (Abb. 3 (b)). Die für Frenkel-Paare mit 900 appm und 3000 appm vorhergesagten Kurven passen gut zu den experimentellen Daten für implantierte Proben mit niedriger (280 appm) bzw. hoher Heliumdosis (3100 appm). Das Helium-zu-Leerstellen-Verhältnis von ~1:3 bei der niedrigeren Implantationsdosis kann mit dem von Becquart39 berechneten Wert von 1:5 verglichen werden, der darauf hinwies, dass bei niedrigen Heliumdosen die Defektretention durch Verunreinigungen, insbesondere Kohlenstoff, dominiert wird. In den vorliegenden Wolframproben ist Kohlenstoff in einer Konzentration von etwa 900 ppm vorhanden. Bei der höheren Implantationsdosis nähert sich das Helium-zu-Leerstellen-Verhältnis 1:1, da die relative Bedeutung von Verunreinigungen abnimmt und die Frenkel-Paar-Rekombination überwiegend durch die Besetzung von Leerstellen durch Helium behindert wird24.

Die gemessene thermische Diffusionsfähigkeit bei Raumtemperatur in der Probe mit hoher Heliumdosis (0,36 cm2s−1) kann auch mit der anderer Proben mit ähnlichen Kaskadenschäden (~0,2 dpa) verglichen werden. Bei neutronenbestrahltem Wolfram (623 K, 0,2 dpa) war die thermische Diffusionsfähigkeit viel höher (0,60 cm2s−1)9, während bei mit Cu-Ionen implantiertem Wolfram (298 K, 0,2 dpa) ein deutlich niedrigerer Wert gemessen wurde (0,29 cm2s−1). )19. Dies deutet darauf hin, dass der berechnete dpa keinen zuverlässigen Hinweis auf die Änderung der Wärmetransporteigenschaften bietet. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, da zurückgehaltenes Gas und Verunreinigungen eindeutig eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der Fehlerbeseitigungs-/Vernichtungsraten spielen.

Zusammenfassend haben wir die Machbarkeit hochpräziser Wärmetransportmessungen in durch Ionenimplantation beschädigten Oberflächenschichten im Mikrometerbereich demonstriert. Unser Ansatz öffnet die Tür zu einer umfassenden Charakterisierung der Wärmetransporteigenschaften in ionenimplantierten Materialien. Die transiente Gittertechnik erfordert keinen physischen Kontakt und ist daher ideal für die Charakterisierung radioaktiver Proben und In-situ-Messungen. Wir haben gezeigt, dass die Änderung der thermischen Diffusionsfähigkeit keine triviale Funktion der Ionenfluenz ist und einen Einblick in die mikrostrukturelle Entwicklung von Defekten nach der Implantation bieten kann, die in der Transmissionselektronenmikroskopie unsichtbar sind. Derzeit wird die Verschlechterung der Wärmetransporteigenschaften aufgrund von Strahlungsschäden bei der Konstruktion der DEMO-Divertorpanzerung nicht berücksichtigt40,41. Angesichts der erheblichen Verringerung der thermischen Diffusivität, die wir gemessen haben, erscheint es wichtig, dass diese Effekte in zukünftigen Entwurfsiterationen berücksichtigt werden.

Wolfram- und Wolfram-Rhenium-Proben wurden durch Lichtbogenschmelzen hochreiner Elementarpulver (99,9 %) hergestellt. Die resultierenden Rohlinge wurden zerschnitten und mechanisch poliert, abschließend mit einem kolloidalen Siliciumdioxid-Polierschritt, um eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen. Die optische Mikroskopie zeigte Körner mit einer Größe von bis zu 1 mm. Die Elektronenrückstreubeugung zeigte keine signifikante Textur. Wolframproben wurden im National Ion Beam Centre der University of Surrey, Großbritannien, mit Heliumionen implantiert, wobei 12 verschiedene Ionenenergien von 0,05 MeV bis 1,8 MeV25 zum Einsatz kamen. Implantations- und Kollisionsschadensprofile (ergänzende Abbildung S1) wurden unter Verwendung des Stopping Range of Ions in Matter Code27 mit einer Wolfram-Verdrängungsenergie von 68 eV berechnet.

Zur Erzeugung des transienten Gitters wurden zwei kurze Anregungsimpulse (Wellenlänge 515 nm, Impulsdauer 60 ps und Impulsenergie 1,75 μJ) verwendet (Abb. 1 (a)). Die meisten Messungen wurden mit einer Gitterperiode von λ = 2,74 μm durchgeführt, wobei einige Bestätigungsmessungen in reinem Wolfram auch mit λ = 9 μm durchgeführt wurden. Die Abweichung der tatsächlichen Gitterperiode vom Nennwert war vernachlässigbar (weniger als 0,5 %), was durch einen Vergleich der gemessenen Oberflächenschallwellengeschwindigkeit in Wolfram mit dem Literaturwert bestätigt wurde24. Temperaturgitterzerfall und akustische Oberflächenwellen wurden durch Beugung eines quasikontinuierlichen Sondenstrahls (Wellenlänge 532 nm, durchschnittliche Leistung 10 mW) untersucht. Der gebeugte Strahl wurde mit einem reflektierten Referenzstrahl überlagert (Abb. 1 (b)) und der kombinierte Strahl auf eine schnelle Lawinenfotodiode gerichtet. Zeitverläufe wurden mit einem Oszilloskop aufgezeichnet. Die Bandbreite des Detektionssystems betrug ca. 2 GHz. Es wurden Anregungs- und Sondenfleckgrößen von 500 μm bzw. 150 μm Durchmesser bei einem Intensitätsniveau von 1/e2 verwendet. Alle Messungen wurden in einem Kryostat (http://www.janis.com) unter mittlerem Vakuum (10−2 mbar) durchgeführt. Die maximale Messtemperatur (473 K) wurde durch die Einschränkungen der verfügbaren Heizstufe bestimmt. Es gibt keine intrinsische Einschränkung hinsichtlich der Temperaturen, bei denen transiente Gittermessungen durchgeführt werden können.

Zitierweise für diesen Artikel: Hofmann, F. et al. Berührungslose Messung der Wärmeleitfähigkeit in ionenimplantierten Kernmaterialien. Wissenschaft. Rep. 5, 16042; doi: 10.1038/srep16042 (2015).

Rieth, M. et al. Jüngste Fortschritte in der Forschung zu Wolframmaterialien für Kernfusionsanwendungen in Europa. Journal of Nuclear Materials 432, 482–500, doi: 10.1016/j.jnucmat.2012.08.018 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Maisonnier, D. et al. Konzeptstudien zu Kraftwerken in Europa. Kernfusion 47, 1524, doi: 10.1088/0029-5515/47/11/014 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Asakura, N. et al. Eine Simulationsstudie zur großen Leistungsaufnahme im Divertor eines Demoreaktors. Kernfusion 53, 123013, doi: 10.1088/0029-5515/53/12/123013 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Rieth, M. et al. Rückblick auf das EFDA-Programm zur Technologie und Wissenschaft von Wolframmaterialien. Journal of Nuclear Materials 417, 463–467, doi: 10.1016/j.jnucmat.2011.01.075 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Norajitra, P. et al. Fortschritt der Entwicklung eines He-gekühlten Divertors für DEMO. Fusion Engineering and Design 86, 1656–1659, doi: 10.1016/j.fusengdes.2010.12.005 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Gilbert, MR, Dudarev, SL, Zheng, S., Packer, LW & Sublet, J.-C. Ein integriertes Modell für Materialien in einem Fusionskraftwerk: Transmutation, Gasproduktion und Heliumversprödung unter Neutronenbestrahlung. Kernfusion 52, 083019, doi: 10.1088/0029-5515/52/8/083019 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Tanno, T. et al. Auswirkungen von Transmutationselementen auf die mikrostrukturelle Entwicklung und den elektrischen Widerstand von neutronenbestrahltem Wolfram. Journal of Nuclear Materials 386–388, 218–221, doi: 10.1016/j.jnucmat.2008.12.091 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Fujitsuka, M., Tsuchiya, B., Mutoh, I., Tanabe, T. & Shikama, T. Einfluss der Neutronenbestrahlung auf die Wärmeleitfähigkeit von Wolfram-Rhenium-Legierungen. Journal of Nuclear Materials 283–287, Teil 2, 1148–1151, doi: 10.1016/S0022-3115(00)00170-7 (2000).

Artikel ADS Google Scholar

Roedig, M. et al. Nachbestrahlungstests von Proben aus den Bestrahlungsexperimenten PARIDE 3 und PARIDE 4. Journal of Nuclear Materials 329–333, Teil A, 766–770, doi: 10.1016/j.jnucmat.2004.04.176 (2004).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Peacock, AT et al. Überblick über die jüngsten europäischen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich Materialien im Zusammenhang mit ITER. Journal of Nuclear Materials 329–333, Teil A, 173–177, doi: 10.1016/j.jnucmat.2004.04.008 (2004).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yoshida, N. Überblick über aktuelle Arbeiten zur Entwicklung und Bewertung von High-Z-Plasmabeschichtungsmaterialien. Journal of Nuclear Materials 266–269, 197–206, doi: 10.1016/S0022-3115(98)00817-4 (1999).

Artikel ADS Google Scholar

Debelle, A. et al. Heliumverhalten und Leerstellendefektverteilung in mit Helium implantiertem Wolfram. Journal of Nuclear Materials 362, 181–188, doi: 10.1016/j.jnucmat.2007.01.021 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Fu, C.-C. & Willaime, F. Ab-initio-Untersuchung von Helium in α-Fe: Auflösung, Migration und Clusterbildung mit Leerstellen. Physical Review B 72, 064117, doi: 10.1103/PhysRevB.72.064117 (2005).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lucas, G. & Schäublin, R. Heliumeffekte auf Verdrängungskaskaden in α-Eisen. Journal of Physics: Condensed Matter 20, 415206, doi: 10.1088/0953-8984/20/41/415206 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Kornelsen, EV Die Wechselwirkung von injiziertem Helium mit Gitterdefekten in einem Wolframkristall. Radiation Effects 13, 227–236, doi: 10.1080/00337577208231184 (1972).

Artikel CAS Google Scholar

Kiener, D. et al. Anwendung kleinräumiger Tests zur Untersuchung ionenstrahlbestrahlter Materialien. Journal of Materials Research 27, 2724–2736, doi: 10.1557/jmr.2012.303 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hardie, CD, Roberts, SG & Bushby, AJ Verständnis der Auswirkungen der Ionenbestrahlung mithilfe von Nanoindentationstechniken. Journal of Nuclear Materials 462, 391–401, doi: 10.1016/j.jnucmat.2014.11.066 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Armstrong, DEJ et al. Charakterisierung von bestrahltem Kernmaterial im kleinen Maßstab: Teil II Nanoindentation und Mikro-Cantilever-Test von ionenbestrahltem Kernmaterial. Journal of Nuclear Materials 462, 374–381, doi: 10.1016/j.jnucmat.2015.01.053 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Dechaumphai, E. et al. Oberflächennahe thermische Charakterisierung von plasmazugewandten Komponenten mit der 3-Omega-Methode. Journal of Nuclear Materials 455, 56–60, doi: 10.1016/j.jnucmat.2014.03.059 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Khafizov, M., Yablinsky, C., Allen, TR & Hurley, DH Messung der Wärmeleitfähigkeit in protonenbestrahltem Silizium. Nukleare Instrumente und Methoden in der physikalischen Forschung, Abschnitt B: Strahlwechselwirkungen mit Materialien und Atomen 325, 11–14, doi: 10.1016/j.nimb.2014.02.003 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Pakarinen, J. et al. Mikrostrukturveränderungen und Verringerung der Wärmeleitfähigkeit in UO2 nach 3,9 MeV He2+-Ionenbestrahlung. Journal of Nuclear Materials 454, 283–289, doi: 10.1016/j.jnucmat.2014.07.053 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Eichler, HJ, Günter, P. & Pohl, DW Laserinduzierte dynamische Gitter. Bd. 50 (Springer-Verlag, 1986).

Käding, OW, Skurk, H., Maznev, AA & Matthias, E. Transiente thermische Gitter an Oberflächen zur thermischen Charakterisierung von Massenmaterialien und dünnen Filmen. Appl. Physik. A 61, 253–261, doi: 10.1007/BF01538190 (1995).

Artikel ADS Google Scholar

Hofmann, F. et al. Gitterschwellung und Moduländerung in einer mit Helium implantierten Wolframlegierung: Röntgenmikrobeugung, Messungen akustischer Oberflächenwellen und Multiskalenmodellierung. Acta Materialia 89, 352–363, doi: 10.1016/j.actamat.2015.01.055 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Beck, CE, Roberts, SG, Edmondson, PD & Armstrong, DEJ Einfluss der Legierungszusammensetzung und Heliumionenbestrahlung auf die mechanischen Eigenschaften von Wolfram, Wolfram-Tantal und Wolfram-Rhenium für Fusionsenergieanwendungen. MRS Online Proceedings Library 1514, 99–104, doi: 10.1557/opl.2013.356 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

DeBroglie, I., Beck, C., Liu, W. & Hofmann, F. Temperaturabhängigkeit der durch Heliumimplantation induzierten Gitterschwellung in polykristallinem Wolfram: Röntgenmikrobeugung und Eigenspannungsmodellierung. Scripta Materialia 107, 4, doi: 10.1016/j.scriptamat.2015.05.029 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Ziegler, JF, Ziegler, MD & Biersack, JP SRIM – Die Konzentration und Reichweite von Ionen in Materie (2010). Nukleare Instrumente und Methoden in der physikalischen Forschung, Abschnitt B: Strahlwechselwirkungen mit Materialien und Atomen 268, 1818–1823, doi: 10.1016/j.nimb.2010.02.091 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Ho, CY, Powell, RW & Liley, PE Wärmeleitfähigkeit der Elemente. Journal of Physical and Chemical Reference Data 1, 279–421, doi: 10.1063/1.3253100 (1972).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ziman, JM Elektronen und Phononen: Die Theorie der Transportphänomene in Festkörpern. (Oxford University Press, 2001).

Wiesmann, H. et al. Einfaches Modell zur Charakterisierung des elektrischen Widerstands in A-15-Supraleitern. Physical Review Letters 38, 782–785, doi: 10.1103/PhysRevLett.38.782 (1977).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mason, DR Einbeziehung nichtadiabatischer Effekte in Potentiale eingebetteter Atome für Strahlungsschadenskaskadensimulationen. Journal of Physics: Condensed Matter 27, doi: 10.1088/0953-8984/27/14/145401 (2015).

White, GK & Collocott, SJ Wärmekapazität von Referenzmaterialien: Cu und W. Journal of Physical and Chemical Reference Data 13, 1251–1257, doi: 10.1063/1.555728 (1984).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Nix, FC & MacNair, D. Die thermische Ausdehnung reiner Metalle. II: Molybdän, Palladium, Silber, Tantal, Wolfram, Platin und Blei. Physical Review 61, 74–78, doi: 10.1103/PhysRev.61.74 (1942).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lhuillier, PE et al. Einschluss und Freisetzung von Helium in Wolfram. Journal of Nuclear Materials 416, 13–17, doi: 10.1016/j.jnucmat.2010.12.042 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Nguyen-Manh, D. & Dudarev, SL Einfangen von He-Clustern durch Inertgasverunreinigungen in Wolfram: First-Principles-Vorhersagen und experimentelle Validierung. Nukleare Instrumente und Methoden in der physikalischen Forschung, Abschnitt B: Strahlwechselwirkungen mit Materialien und Atomen 352, 86–91, doi: 10.1016/j.nimb.2014.11.097 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Ullmaier, H. Atomare Defekte in Metallen. Bd. 25 (Springer-Verlag, 1991).

Rasch, KD, Siegel, RW & Schultz, H. Abschreckungs- und Rückgewinnungsuntersuchungen von Leerstellen in Wolfram. Philosophical Magazine A 41, 91–117, doi: 10.1080/01418618008241833 (1980).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sharafat, S., Takahashi, A., Nagasawa, K. & Ghoniem, N. Eine Beschreibung des stressbedingten Blasenwachstums von mit Helium implantiertem Wolfram. Journal of Nuclear Materials 389, 203–212, doi: 10.1016/j.jnucmat.2009.02.027 (2009).

Becquart, CS & Domain, C. Eine objektkinetische Monte-Carlo-Simulation der Dynamik von Helium und Punktdefekten in Wolfram. Journal of Nuclear Materials 385, 223–227, doi: 10.1016/j.jnucmat.2008.11.027 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Reiser, J. & Rieth, M. Optimierung und Einschränkungen bekannter DEMO-Divertorkonzepte. Fusion Engineering and Design 87, 718–721, doi: 10.1016/j.fusengdes.2012.02.010 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Li-Puma, A. et al. Potenzial und Grenzen wassergekühlter Divertorkonzepte auf Basis des Monoblock-Designs als mögliche Kandidaten für einen DEMO-Reaktor. Fusion Engineering and Design 88, 1836–1843, doi: 10.1016/j.fusengdes.2013.05.114 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Wir danken CE Beck für die Vorbereitung der Proben und N. Peng für die Durchführung der Ionenimplantation. FH dankt dem John Fell Fund (122/643) und der Royal Society (RG130308) für die Finanzierung. Transiente Gittermessungen am MIT wurden im Rahmen des S3TEC Energy Frontier Research Center unterstützt, das vom US-Energieministerium, Office of Basic Energy Sciences, unter der Fördernr. DE-SC0001299/DE-FG02-09ER46577. Teilweise wurden diese Arbeiten im Rahmen des EUROfusion-Konsortiums durchgeführt und erhielten Mittel aus dem Euratom-Forschungs- und Ausbildungsprogramm 2014–2018 im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 633053. Um weitere Informationen zu den diesem Dokument zugrunde liegenden Daten und Modellen zu erhalten, wenden Sie sich bitte an [email protected]. Die hier geäußerten Ansichten und Meinungen spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider. Diese Arbeit wurde vom United Kingdom Engineering and Physical Sciences Research Council über die Programmzuschüsse EP/G050031 und EP/H018921/1 teilweise finanziert.

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Oxford, Parks Road, Oxford, OX1 3PJ, Großbritannien

F. Hofmann

CCFE, Culham Science Centre, Abingdon, OX14 3DB, Großbritannien

DR Mason & SL Dudarev

Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, USA

JK Eliason, AA Maznev und KA Nelson

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FH hat die Experimente entworfen. FH und JKE führten die Messungen durch. FH und DRM führten die Datenanalyse und Modellierung durch. FH, DRM und JKE haben den Artikel geschrieben. AAM, KAN und SLD haben das Manuskript gelesen und kommentiert.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hofmann, F., Mason, D., Eliason, J. et al. Berührungslose Messung der Wärmeleitfähigkeit in ionenimplantierten Kernmaterialien. Sci Rep 5, 16042 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16042

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Eingegangen: 14. Juni 2015

Angenommen: 06. Oktober 2015

Veröffentlicht: 3. November 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16042

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