ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДЕЙТЕРИЕВОЙ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ВОЛЬФРАМА ПОСЛЕ КАРБИДИЗАЦИИ В ППР

Данная работа посвящена исследованию влияния смешанных слоев W–C на изменение морфологии поверхности и структурно-фазовых состояний поверхностного слоя вольфрама при воздействии D плазмы. Эксперименты по карбидизации и плазменному облучению проведены на плазменно-пучковой установке (ППУ) при различных энергиях ионов и температурах поверхности. В качестве рабочего газа при карбидизации использовался метан (CH₄), при плазменном облучении – дейтерий. Воздействие D плазмы с энергией ионов 1 кэВ на поверхность вольфрама со смешанными слоями привело к полному разрушению карбидных соединений при температуре ~1750 °С и дальнейшей эрозии вольфрама. Однако, при температуре ~900 °С смешанные слои на основе двух фаз (WC и W₂C) обладают высоким сопротивлением дейтериевому воздействию.

1. Pintsuk G., Hasegawa A. Tungsten as a Plasma-Facing Material // Reference Module in Materials Science and Materials Engineering. – 2019. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11696-0

2. Bolt H., Barabash V., Federici G. et al. (2002). Plasma facing and high heat flux materials-needs for ITER and beyond // Journal of Nuclear Materials. – 2002. – Vol. 307. – P. 43.

3. Mayer M. et al. Tungsten erosion and redeposition in the all-tungsten divertor of ASDEX Upgrade // Physica scripta. – 2009. – T. 138. https://doi.org/10.1088/0031-8949/2009/T138/014039

4. Ueda Y., Schmid K., Balden M. et al. Baseline high heat flux and plasma facing materials for fusion // Nucl. Fusion. – 2017. – Vol. 57. – P. 092006. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa6b60

5. Budaev V.P., Fedorovich S.D., Dedov A.V., et.al. High-heat flux tests of tungsten divertor mock-ups with steady-state plasma and e-beam // Nuclear Materials and Energy. – 2020. – Vol. 25. https://doi.org/10.1016/j.nme.2020.100816

6. Muhammad Luqman Khalid et al. (2019) // Mater. Res. Express. – 2019. – Vol. 6. – P. 066551. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab087f

7. Rubel M, Philipps V, Huber A, and Tanabe T. Formation of carbon containing layers on tungsten test limiters // Physica Scripta. – 1999. – T. 81. – P. 61–63.

8. Ueda Y., et al. Carbon impurity behavior on plasma facing surface of tungsten // Fusion Engineering and Design. – 2006. – Vol. 81. – Р. 233–239.

9. Жанболатова Ғ.Қ., Бакланов В.В., Туленбергенов Т.Р., Миниязов А.Ж., Соколов И.А. Карбидизация поверхности вольфрама в пучково-плазменном разряде // Вестник НЯЦ РК. – 2020. – Вып. 4. – С. 77–81. [G. K. Zhanbolatova, V. V. Baklanov, T. R. Tulenbergenov, A. Zh. Miniyazov, I. A. Sokolov Carbidization of the tungsten surface in a beam-plasma discharge // NNC RK Bulletin. – 2020. – Issue 4. – P. 77–81.] (In Russ.)

10. Baklanov V., Zhanbolatova G., Skakov M., et al. Study of the Temperature Dependence of a Carbidized Layer Formation on the Tungsten Surface Under Plasma Irradiation // Materials Research Express. – 2022. – Vol. 9. – P. 016403. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ac4626

11. Жанболатова Ғ.Қ., Миниязов А.Ж., Туленбергенов Т.Р., Соколов И.А., Букина О.С. Исследование карбидизации поверхности вольфрама при плазменном облучении // Вестник НЯЦ РК.– 2021. – Вып. 3. – С. 37–43. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2021-3-37-43 [Zhanbolatova G.K., Miniyazov A.Z., Tulenbergenov T.R., Sokolov I.A., Bukina O.S. Investigation of tungsten surface carbidization under plasma irradiation // NNC RK Bulletin. – 2021. Issue 3. – P. 37–43.] (In Russ)

12. Skakov M.K., Baklanov V.V., Zhanbolatova G.K., Miniyazov A.Zh., Kozhakhmetov Ye.A., Gradoboev A.V. Research of the structural-phase state of tungsten surface layer cross-section after carbidization in a beam-plasma discharge usage electron microscopy methods // NNC RK Bulletin. – 2023. – Issue 2. – P. 89–96. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2023-2-89-96

13. Skakov M.K., Miniyazov A.Z., Batyrbekov E.G, et al. Influence of the Carbidized Tungsten Surface on the Processes of Interaction with Helium Plasma // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 7821. https://doi.org/10.3390/ma15217821

14. Патент РК на полезную модель № 2080. Имитационный стенд с плазменно-пучковой установкой / Колодешников А.А., Зуев В.А., Гановичев Д.А., и др. – опубл. 15.03.2017, Бюл. № 5. [Patent RK na poleznuyu model' № 2080. Imitatsionnyy stend s plazmenno-puchkovoy ustanovkoy / Kolodeshnikov A.A., Zuev V.A., Ganovichev D.A., i dr. – opubl. 15.03.2017, Byul. No. 5.] (In Russ.)

15. Туленбергенов Т.Р., Скаков М.К., Миниязов А.Ж., Соколов И.А., Кайырды Г.К. // Роль имитационного стенда с плазменно-пучковой установкой в исследованиях плазменно-поверхностного взаимодействия // Вестник НЯЦ РК. – 2019. – Вып. 4. – С. 51–58. https://doi.org/10.52676/1729-7885-2019-4-51-58 [Tulenbergenov T.R., Skakov M.K., Miniyazov A.Zh., Sokolov I.A., Kayyrdy G.K. The role of a simulation bench with plasma- beam installation in researches of plasma-surface interection // NNC RK Bulletin. – 2019. – Issue 4. – P. 51–58.] (In Russ.)

16. S. Gražulis, D. Chateigner, R. T. Downs, A. F. T. Yokochi, et.al. Crystallography Open Database – an open-access collection of crystal structures // J. Appl. Cryst. – 2009. – Vol. 42. – P. 726–729.

17. Skakov Mazhyn, Zhanbolatova Gainiya, Miniyazov Arman, Tulenbergenov Timur, Sokolov Igor, Sapatayev Yerzhan, Kozhakhmetov Yernat, Bukina Olga. Impact of High-Power Heat Load and W Surface Carbidization on its Structural-Phase Composition and Properties // Fusion Science and Technology. – 2021. – Vol. 77. – Р. 57–66. https://doi.org/10.1080/15361055.2020.1843885

18. Skakov M.K., Baklanov V.V., Zhanbolatova G.K., et al. The effect of recrystallization annealing on the tungsten surface carbidization in a beam plasma discharge // AIMS Materials Science. – Vol. 10(3). – P. 541–555.

19. Горелик С. С., Добаткин С. В., Капуткина Л. М. Рекристаллизация металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 2005. 432 с. [Gorelik S. S., Dobatkin S. V., Kaputkina L. M. Rekristallizatsiya metallov i splavov. – Moscow: MISIS. – 2005. – 432 p.]

20. Maier, H., Rasinski, M., von Toussaint, U., Greuner, H., Böswirth, B., Balden, M. Kinetics of carbide formation in the molybdenum–tungsten coatings used in the ITER-like Wall // Physica Scripta. – 2016. – T. 167. – P. 014048. https://doi.org/10.1088/0031-8949/t167/1/014048

21. Linsmeier Ch., Reinelt M., Schmid K. Surface chemistry of first wall materials – from fundamental data to modeling // Journal of Nuclear Materials. – 2011. – Vol. 415. – Issue 1. – P. S212–S218. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.08.056

22. Беграмбеков Л.Б. Процессы в твердом теле под действием ионного и плазменного облучения: Учебное пособие. – М.: МИФИ, 2008. – 196 с. [Begrambekov L.B. Protsessy v tverdom tele pod deystviem ionnogo i plazmennogo oblucheniya: Uchebnoe posobie. – Moscow: MIFI. – 2008. – 196 p.] (In Russ)

23. Tu H., Li C., Shi L. The erosion and retention properties of α-WC films by low-energy deuterium ion irradiation // Applied Surface Science. – 2023. – Vol. 608. – P. 155133.

24. P. Jenus et al. Deuterium retention in tungsten, tungsten carbide and tungsten-ditungsten carbide composites // Journal of Nuclear Materials. – 2023. – Vol. 581. – P. 154455.

25. Z. Zhao, F. Liu, L. Cao, et al. Investigation of indentation response, scratch resistance, and wear behavior of tungsten carbide coatings fabricated by two-step interstitial carburization on tungsten // Ceramics International. – 2021. – Vol. 47. – P. 30636–30647.