Mechanisms of retention and blistering in near-surface region of tungsten exposed to high flux deuterium plasmas of tens of eV

数十eVの高フラックス重水素プラズマ照射によるタングステン表面付近での滞留とブリスタリングの機構

洲 亘; Luo, G.; 山西 敏彦

Shu, Wataru; Luo, G.; Yamanishi, Toshihiko

数十eVの高フラックス重水素プラズマ照射によるタングステンでの滞留とブリスタリングの機構を解明するため、各種分析・観察手法(XRD, TEM, SEM, TDS, NRA、及びERDA)による測定・観察を行った。1.5の固定入射角のXRD測定により、重水素プラズマ照射後のタングステン表面付近の格子定数が変化していないことを確認した。このことは、重水素が空隙サイトに存在せず、重水素-空孔複合体を形成してバブル(空孔クラスターやボイドに集合している重水素分子)に成長していることを示唆している。また、重水素プラズマ照射後のタングステン断面のTEM観察により、大きいブリスタ(直径:数ミクロン,結晶粒に相当)の発生前、表面付近に直径30nm程度の小さいブリスタやナノ亀裂が形成されていることを明らかにした。さらに、重水素は、照射後のタングステンに分子として滞留していること(TDS結果)、並びに最大重水素/タングステンの原子比が1-2%に到達していること(NRAとERDAの結果)を明らかにした。以上の結果は、空孔型欠陥が滞留重水素の侵入に伴ってタングステンの表面付近に生成されることを示唆しているものである。

The mechanisms of retention and blistering in the near-surface region of tungsten exposed to high glux deuterium plasmas of tens of eV were studied with a variety of techniques, such as XRD, TEM, SEM, TDS, NRA and ERDA. The results of small angle XRD at a fixed incident angle of 1.5 indicated that within the experimental error there was a zero change in the lattice parameter after the plasma exposure. This implies that deuterium does not exist in the lattice interstitial sites, but instead forms a deuterium-vacancy complex and then clusters and further bubbles (deuterium molecules in vacancy clusters and voids) in near-surface region. Cross-sectional TEM observations showed that small blisters with a diameter of around 30 nm and nano-cracks formed in the near-surface region before the formation of larger blisters with diameters of up to a few microns (comparable to grain size). The TDS results strongly indicated that deuterium existed in the molecular form in tungsten after the plasma exposure. The NRA and ERDA results suggest that the maximum atomic ratio of deuterium against tungsten reached as high as 1-2% in the near-surface region. These evidences suggest that crystal defects like vacancies should be generated due to lowering of the formation energy of vacancies by the intrusion of a great number of hydrogen isotope atoms into the near-surface region of tungsten.