Published December 17, 2015 | Version v1
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Study of the vacancy-type defects formation in tungsten crystal from helium accumulation

Description

Tungsten will be exposed to severe plasma conditions such as high temperature and high particle bombardment as a target of the divertor in the nuclear fusion reactor ITER. High fluxes of light ions will impact its surface and can generate defects in the crystal. This study means to observe the first steps of the vacancy-type defects formation in the tungsten crystal subject to low ion flux of low kinetic energy in order to understand the influence of the accumulation of helium, one of the nuclear reaction products. For the experiments, an ICP-RF plasma source was developed and characterized to perform helium implantations under perfectly controlled conditions. Helium implantations were performed under various conditions of fluence, energy and substrate temperature on polycrystalline tungsten samples. Positron annihilation spectroscopy was used to characterized vacancy-type defects, nuclear reaction analysis to quantify implanted helium and thermal desorption spectrometry to characterised the interactions of helium in the crystal. Results show that, for a kinetic energy of 320 eV and at room temperature, a saturation of the helium implanted quantity is reached for a limit incident fluence and that large vacancy defects starts to form. Study of the kinetic energy and the surface temperature influences show the importance of the depth distribution and the mobility of the helium in the crystal on the size and the diversity of the generated defects. Implantations are performed by molecular dynamic simulations. Results obtained by the numerical approach are compared to experimental ones in order to get a better understanding of the atomic scale mechanisms. (author)

Abstract (French)

Le tungstene sera soumis a des conditions extremes de temperature et de bombardement de particules en tant que paroi des cibles du divertor dans le reacteur de fusion nucleaire ITER. De hauts flux d'ions legers impacteront la surface du tungstene et sont susceptibles de generer des defauts dans le cristal. Cette etude vise a etudier les premieres etapes de la formation des defauts lacunaires dans le cristal de tungstene soumis a un faible flux d'ions de faible energie afin de comprendre le rôle de l'accumulation de l'helium, un des produits de la reaction de fusion du deuterium et du tritium. Pour cette etude, une source plasma ICP-RF a ete developpee et qualifiee afin de realiser des implantations d'helium dans des conditions parfaitement contrôlees. Les implantations d'helium ont ete realisees pour plusieurs conditions de fluence, d'energie et de temperature, sur des echantillons de tungstene polycristallins. La spectroscopie d'annihilation des positons a ete utilisee pour caracteriser les defauts lacunaires, les analyses par reactions nucleaires, pour quantifier l'helium implante et la spectrometrie de thermodesorption pour caracteriser les interactions de l'helium dans le cristal. Les resultats montrent que pour une energie de 320 eV a temperature ambiante, une fluence incidente limite est atteinte a partir de laquelle une saturation de l'helium implante apparait et la formation de lacunes de grande taille debute. L'etude de l'influence de l'energie et de la temperature montre l'importance de la repartition de l'helium en profondeur et de sa mobilite dans le cristal sur la taille et la diversite des defauts formes. Les implantations sont simulees par dynamique moleculaire. Les resultats obtenus par l'approche numerique sont compares aux resultats experimentaux afin de mieux comprendre les mecanismes elementaires mis en jeu. (auteur)

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Original title (French)
Etude de la formation de defauts lacunaires dans un cristal de tungstene par accumulation d'helium

Publishing Information

Imprint Pagination
212 p.
Report number
FRNC-TH--13074

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Notes
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