Die Helium-Vorbelichtung hemmt die Permeation von Wasserstoffisotopen in Wandmaterialien

Ein Forscherteam des Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat kürzlich gezeigt, dass eine Heliumexposition das Eindringen von Wasserstoffisotopen in Wandmaterialien hemmen könnte. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Kernfusion.

Unter der Wechselwirkung zwischen dem Grenzplasma des Fusionsreaktors und dem Material werden Deuterium und Tritium die erste Wand durchdringen und in das Kühlmittel im Inneren eintreten, was die Brennstoffkosten und das Sicherheitsrisiko des Fusionsreaktors erhöht. Gleichzeitig bombardieren die durch die Deuterium-Tritium-Fusionsreaktion erzeugten Heliumpartikel auch direkt die Oberfläche des Materials und beeinflussen das Permeations- und Rückhalteverhalten von Deuterium-Tritium im Material.

In dieser Studie konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die Wirkung einer Helium-Plasma-Exposition auf mögliche Wandmaterialien und die Strukturmaterialien von Fusionsreaktoren und untersuchten den Mechanismus der Helium-Exposition, um das Eindringen von Wasserstoffisotopen in Wandmaterialien zu hemmen.

Den Forschern zufolge induzierte die Vorbelichtung mit niederenergetischen Heliumplasmen die Bildung hervorstehender Nanostrukturen auf der Oberfläche des Materials. Der vom Deuterium-Plasma angetriebene Permeationsfluss nahm allmählich mit dem Anstieg der Helium-Fluenz vor der Bestrahlung ab.

Durch die Kombination der Ergebnisse mit theoretischen Berechnungen kamen sie zu dem Schluss, dass die Entwicklung der Oberflächentopographie und die oberflächennahe Heliumblasenschicht einen doppelten Reduktionseffekt auf das Eindringen von Wasserstoffisotopen durch das Material hatten – die hervorstehende Oberflächenstruktur erhöhte den reflektierten Fluss einfallender Ionen und reduzierte den Implantationsfluss. Darüber hinaus reduzierten die oberflächennahen Heliumblasen die Transportkanäle für die Einwärtsdiffusion von Wasserstoffisotopenatomen und reduzierten den stationären Permeationsfluss von Wasserstoffisotopen weiter.

Basierend auf früheren Studien zur Wasserstoffisotopenpermeation von Wandmaterialien und Strukturmaterialien realisiert diese Studie eine quantitative Analyse der Wirkung der Heliumexpositionsfluenz, die die Bewertung der Tritiumpermeation in der ersten Wand von Fusionsreaktoren unterstützen kann.