Investigation of plasma facing materials at JET Tokamak

Abstract

The comprehensive understanding of the interaction between plasma and plasma-facing materials constitutes a critical issue for the safe operation of fusion devices and the prediction of the life time of the inner wall of fusion machines. The most important mechanisms that are caused by the plasma-material interaction are the surface erosion, the fuel retention and the migration and deposition of impurities on the plasma facing surfaces (PFSs) and the castellation sides of the first wall. Until 2009 the Joint European Torus (JET) tokamak operated with carbon as plasma facing material where high fuel retention was observed. So the period 2009-2011, the JET tokamak was transformed from a carbon to a full metal wall machine with beryllium in the main chamber and tungsten in the divertor (ITER-like wall), in order to investigate the results of the interaction between the plasma and the plasma facing components (PFCs) for the next generation fusion device, ITER. After the new wall installation, three D – D experimental campaigns were carried.In this work, the phenomena of material migration and deposition, fuel retention and surface erosion in samples from a) beryllium limiters and inner wall cladding (IWC) of the main chamber and b) tungsten lamellae from the divertor were investigated. The methodology was based on nuclear reaction analysis (NRA) and particle-induced X-ray emission (PIXE) employing deuteron and 3He ions, using milli- or micro-beams, X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), scanning electron microscopy (SEM) with X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD). Additionally, in order to obtain reliable quantitative results from the NRA measurements, the differential cross sections of the deuteron on beryllium reactions were measured for suitable angles and energies. The experiments were carried out at the Institute of Nuclear & Radiological Sciences and Technology, Energy & Safety (INRASTES), the Institute of Nuclear and Particle Physics (INPP) and the Institute of Nanoscience and Nanotechnology (INN) of NCSR “Demokritos” and at the Laboratory for Ion Beam Interaction (LIBI) of the Ruđer Bošković Institute (RBI) in Croatia. The cross sections of the 9Be(d,p0)10Be, 9Be(d,p1)10Be, 9Be(d,a0)7Li and 9Be(d,a1)7Li in the energy range Elab = 0.75 – 2.2 MeV with the non-constant energy step up to 1 MeV and then with a step of 20 keV were measured. The detection angles were 120o, 140o, 150o, 160o and 170o with respect to the beam direction. The thickness of the target was determined with proton and oxygen beams. The benchmarking using a bulk beryllium sample coated with a thin gold layer shows that the cross sections of the current work simulate the experimental spectra with deviation no more than 10%. The samples from the beryllium limiter marker tiles from the main chamber have a nickel interlayer between the top beryllium layer and the bulk beryllium. The aim of this interlayer is to assess the erosion of the samples. Apart from the erosion, the emphasis of the investigation was put on carbon deposition and fuel (deuterium) retention. Specifically, the carbon and deuterium amounts and spatial distribution and their correlation were investigated both on the PFSs and the castellation sides. For the quantification of the carbon amount and its spatial distribution the NRA technique employing deuteron milli- and micro-beam was used. The reaction for the carbon content determination was 12C(d,p0)13C. On the other hand, for the deuterium retention a 3He micro-beam was used as the most appropriate reaction to detect deuterium is 2H(3He,p0)4He. It was found that the carbon and deuterium amounts on the castellation sides are higher than those on the PFS. Furthermore, both the carbon and the deuterium amounts on the investigated castellation sides either stay constant or reduces with the depth from the edge of the PFS. The carbon amount is, in general, higher than the deuterium one. No systematic correlation between the carbon and the deuterium amounts have been observed. Moreover, the surface morphology, the erosion, the nickel (marker layer or deposition) distribution, the heavier material deposition, and the new compound formation were determined. Areas with melted surface, with intensive deposition, areas suffered enhanced erosion and others with mild or partial erosion were observed. The areas with intensive deposition present the higher carbon amount. On the other hand, the areas with enhanced erosion have the lowest carbon deposition. Nickel is the only element with inhomogeneous spatial distribution originating either from deposition or the marker interlayer. On the castellation sides areas rich in aluminium, chlorine, calcium, molybdenum and tungsten were detected. BeNi is formed on most surfaces.The carbon and oxygen amount as well as their depth profile were determined on the PFS of the inner wall cladding (IWC) and the dump plate (DP) of the main chamber. Additionally, the morphology, the heavier elemental distribution and the new compound formation were investigated. Generally, high carbon content is accompanied with high oxygen. The samples from the IWC have the highest carbon and oxygen content and their surface morphology seems unchanged after the plasma exposure. The samples of the ILWG1-3 3A8 from the DP have suffered melting. On the surfaces of the samples from the ILW3 2B2C from the DP oriented strips have been formed. Samples from W lamellae of tile 5 from the divertor were studied in order to determine the light elemental deposition and the corresponding depth profiles. Two of the investigated lamellae consist of a molybdenum interlayer between top tungsten and bulk tungsten in order to assess the surface erosion. The results were correlated with the strike point time. Additionally, the areas with different phases, the change of the surface morphology and compound formation after the plasma exposure were determined. The amount of the deposited beryllium and carbon increases with the strike point time. Beryllium deposition increases from the first to the second campaign and from the second to the third campaign. Carbon deposition decreases from the first to the second campaign but increases from the second to the third campaign, while there is no pattern for the oxygen amount. Furthermore, the carbon and beryllium concentrations are reduced with depth in a similar way for each sample, either abruptly or smoothly. The as-fabricated W lamellae installed in JET are characterized by a network of micro-cracks on the surface. After plasma exposure the morphology of their surface shows mild or strong plasma surface interaction. The density and the width of the micro-cracks were affected in the lamellae from the stack C and after the second campaign. Plenty of heavy elements were detected, on deposition areas of all the samples. The marker lamellae have been eroded up to 6 μm maximum, which is considered as mild erosion.

Η κατανόηση της αλληλεπιδρασης μεταξύ πλάσματος και των υλικών που έρχεται σε επαφή αποτελεί καίριο ζήτημα για την ασφαλή λειτουργία των αντιδραστήρων σύντηξης και την πρόβλεψη του χρόνου ζωής των εσωτερικών τοιμάτων τους. Τα πιο σημαντικά αποτελέσματα που προκαλούνται από την αλληλεπίδραση πλάσματος – υλικών του τοιχώματος είναι η διάβρωση της επιφάνειας, η κατακράτηση καυσίμου, και η μεταφορά και εναπόθεση του υλικού που διαβρώθηκε σε άλλες επιφάνειες του τοιχώματος. Μέχρι το 2019 το JET τόκαμακ λειτουργούσε με τοιχώματα άνθρακα, όπου παρατηρήθηκαν μεγάλες ποσότητες κατακράστησης καυσίμου. Για το λόγο αυτό την περίοδο 2009-2011, τα τοιχώματα του JET τόκαμακ μετατράπηκαν σε αμιγώς μεταλλικά καθώς τοποθετήθηκε βηρύλλιο (Βe) στον κυρίως θάλαμο και βολφράμιο (W) στον εκτροπέα. Τα μεταλλικά τοιχώματα Βe και W θα χρησιμοποιηθούν στον αντιδραστήρα σύντηξης ITER, που είναι υπό κατασκευή στη Γαλλία, και για το λόγο αυτό ονομάστηκαν ITER-like wall. Μετά την εγκατάσταση του νέου τοιχώματος στο JET τόκαμακ τρείς πειραματικές καμπάνιες αντίδρασης δευτερίου-δευτερίου έλαβαν χώρα. Στη συγκεκριμένη εργασία, ερευνήθηκαν τα φαινόμενα της μεταφοράς και εναπόθεσης υλικού, της κατακράτησης καυσίμου και της επιφανειακής διάβρωσης σε δείγματα βηρυλλίου από α) limiters και β) inner wall cladding του κυρίως θαλάμου και γ) σε δείγματα βολφραμίου από τα lamellae του εκτροπέα. Οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν είναι η ανάλυση πυρηνικών αντιδράσεων (NRA), η προκαλούμενη από σωματίδια εκπομπή ακτίνων Χ (PIXE) χρησιμοποιώντας ιόντα δευτερίου και 3He, μίλι- και μικρο-δέσμης, φασματοσκοπία φθορισμού ακτίνων Χ (XRF), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) με φασματοσκοπία ενεργειακής διασποράς ακτίνων Χ (EDS) και περίθλαση ακτίνων Χ (XRD). Επιπλέον για να έχουμε αξιόπιστα ποσοτικά αποτελέσματα στην ανάλυση πυρηνικών αντιδράσεων, οι διαφορικές ενεργές διατομές των αντιδράσεων του δευτερίου με το βηρύλλιο μετρήθηκαν σε γωνίες και ενέργειες κατάλληλες για τη συγκεκριρμένη τεχνική. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο Ινστιτούτο Πυρηνικών & Ραδιολογικών Επιστημών & Τεχνολογίας, Ενέργειας & Ασφάλειας (ΙΠΡΕΤΕΑ), στο Ινστιτούτο Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής (ΙΠΣΦ) και στο Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας (ΙΝΝ) του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος» καθώς και Ινστιτούτο Ruđer Bošković στη Κροατία.Η διαφορική ενεργός διατομή των αντιδράσεων: 9Be(d,p0)10Be, 9Be(d,p1)10Be, 9Be(d,a0)7Li και 9Be(d,a1)7Li μετρήθηκαν στο ενεργειακό εύρος Elab = 0.75 – 2.2 MeV, έχοντας μεταβαλλόμενο βήμα μέχρι το 1 MeV ενώ στη συνέχεια το βήμα ήταν 20 keV. Οι γωνίες ανίχνευσης ήταν 120o, 140o, 150o, 160o and 170o σε σχέση με την διεύθυνση της δέσμης. Το πάχος του στόχου προσδιορίστηκε με δέσμες πρωτονίου και οξυγόνου. Η συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων χρησιμοποιώντας ένα παχύ δείγματα βηρυλλίου επικαλυμμένο με ένα λεπτό στρώμα χρυσού έδειξε ότι οι διαφορικές ενεργές διατομές της συγκεκριμένης εργασίας προσομοιώνουν τα πειραματικά φάσματα με απόκλιση μικρότερη του 10%. Tα δείγματα βηρυλλίου από τα limiter marker tiles του κυρίως θαλάμου αποτελούνται από ένα interlayer νικελίου μεταξύ του επιφανειακού στρώματος βηρυλλίου και του υπόλοιπου δείγματος. Ο σκοπός του interlayer είναι να προσδιορισθεί η διάβρωση των δειγμάτων. Εκτός από τη διάβρωση, έμφαση δόθηκε στην εναπόθεση του άνθρακα και την κατακράτηση καυσίμου (δευτερίου). Συγκεκριμένα, οι ποσότητες άνθρακα και δευτερίου, η χωρική κατανομή τους και η συσχέτιση τους ερευνήθηκαν τόσο στη επιφάνεια όσο και στις ελεύθερες πλευρές (castellation sides). Για την ποσοτικοποίηση του άνθρακα και τoν προσδιορισμό της χωρικής κατανομής του χρησιμοποιήθηκε η ανάλυση πυρηνικών αντιδράσεων με χρήση μιλι- και μικρο-δέσμης δευτερίου, αναλύοντας την αντίδραση 12C(d,p0)13C. Για τον προσδιορισμό της κατακράτησης δευτερίου επιλέχθηκε η χρήση μικρο-δέσμης 3He καθώς η αντίδραση 2H(3He,p0)4He θεωρείται η πλέον κατάλληλη. Βρέθηκε ότι οι ποσότητες άνθρακα και δευτερίου στις ελεύθερες πλευρές που ερευνήθηκαν είτε παραμένουν σταθερές είτε μειώνονται συναρτήσει του βάθους από την ακμή της επιφάνειας. Γενικά η ποσότητα του άνθρακα είναι υψηλότερη από εκείνη του δευτερίου, ενώ δεν παρουσιάζεται συσχέτιση μεταξύ της εναπόθεσης άνθρακα και της κατακράτησης δευτερίου. Επιπλέον, ερευνήθηκαν η μορφολογία της επιφάνειας, η διάβρωση, η χωρική κατανομή του νικελίου (που προέρχεται είτε από το interlayer είτε από την εναπόθεσή του), η εναπόθεση των υπόλοιπων στοιχείων που ανιχνεύτηκαν και η δημιουργία χημικών ενώσεων. Παρατηρήθηκαν περιοχές με τηγμένη επιφάνεια, με έντονη εναπόθεση, περιοχές που υπέστησαν έντονη, ήπια ή μερική διάβρωση. Οι περιοχές με ενισχυμένη εναπόθεση παρουσίαζουν επίσης υψηλή ποσότητα άνθρακα, αντίθετα περιοχές με έντονη διάβρωση έχουν την χαμηλότερη εναπόθεση άνθρακα. Το νικέλιο είναι το μόνο στοιχείο με ανομοιογενή χωρική κατανομή στην επιφάνεια, το οποίο προέρχεται είτε από την εναπόθεση είτε από την ανάδυση του interlayer νικελίου στην επιφάνεια λογω διάβρωσης των άνωθεν στρωμάτων. Στις ελεύθερες πλεύρες ανιχνεύτηκαν περιοχές πλούσιες σε αλουμίνιο, χλώριο, ασβέστιο, μολυβδένιο και βολφράμιο. Η κρυσταλλική φάση BeNi δημιουργήθηκε στην επιφάνεια των περισσότερων δειγμάτων.Η ποσότητα του άνθρακα και του οξυγόνου καθώς και η συγκέντρωσή τους συναρτήσει του βάθους προσδιορίσθηκε στην επιφάνεια των inner wall cladding (IWC) και the dump plate (DP) του κυρίως θαλάμου. Επιπροσθέτως, ερευνήθηκαν η μορφολογία, οι επιφάνειες με διαφορετικές φάσεις και η δημιουργία χημικών ενώσεων. Γενικά, η υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα συνοδεύεται με υψηλό οξυγόνο. Τα δείγματα από το IWC έχουν τη μεγαλύτερη συγκέντρωση άνθρακα και οξυγόνου και οι περιοχές τους φαίνονται αναλλοίωτες από την επίδραση του πλάσματος. Τα δείγματα του ILWG1-3 3A8 από το DP έχουν υποστεί τήξη. Στις επιφάνειες των δειγμάτων του ILW3 2B2C από το DP έχουν σχηματιστεί προσανατολισμένες λωρίδες. Δείγματα βολφραμίου από τα lamellae του tile 5 του εκτροπέα μελετήθηκαν ώστε να καθοριστεί η εναπόθεση ελαφρών στοιχείων και η αντίστοιχη μεταβολή της συγκέντρωσης συναρτήσει του βάθους. Δυο από τα lamellae που ερευνήθηκαν έχουν ένα interlayer μολυβδενίου μεταξύ του επιφανειακού βολφραμίου και του υπόλοιπου δείγματος ετσι ώστε να προσδιοριστεί η διάβρωση της επιφάνειας των δειγμάτων. Τα αποτελέσματα συσχετίστηκαν με το strike point time. Επιπλέον, προσδιορίσθηκε η εναπόθεση βαρύτερων στοιχείων, η μεταβολή της μορφολογίας της επιφάνειας και η δημιουργία χημικών ενώσεων μετά την έκθεση στο πλάσμα. Παρατηρήθηκε η αύξηση της ποσότητας του άνθρακα και του βηρυλλίου με την αύξηση του strike point time. Επίσης, η εναπόθεση του βηρυλλίου αυξάνεται από την πρώτη στη δεύτερη πειραματική καμπάνια καθώς και από τη δεύτερη στην τρίτη. Η εναπόθεση του άνθρακα μειώνεται από την πρώτη στη δεύτερη πειραματική καμπάνια ενώ αυξάνεται από την δεύτερη στην τρίτη. Η ποσότητα του οξυγόνου δεν ακολουθεί συγκεκριμένη συμπεριφορά στις διαφορετικές πειραματικές καμπάνιες. Επιπλέον, οι συγκεντρώσεις του άνθρακα και του βηρυλλίου μειώνονται συναρτήσει του βάθους με παρόμοιο τρόπο, είτε απότομα είτε ομαλά. Η επιφάνεια των lamellae βολφραμίου πριν την έκθεση στο πλάσμα χαρακτηρίζεται από ένα δίκτυο μικρορωγμών. Μετά την έκθεση στο πλάσμα η μορφολογία της επιφάνειας παρουσιάζει ήπια ή έντονη αλληλεπίδραση πλάσματος – επιφάνειας. Η πυκνότητα και το πάχος των μικρορωγμών έχουν επηρεαστεί στα δείγματα από το stack C μετά τη δεύτερη πειραματική καμπάνια. Πληθώρα στοιχείων ανιχνεύτηκαν στις περιοχές εναπόθεσης. Τα marker lamellae δεν έχουν υποστεί διάβρωση μεγαλύτερη των 6 μm, η οποία θεωρείται ήπια διάβρωση.