Structure and morphology of the tungsten-based material of the first wall of the tokamak divertor before and after irradiation with hydrogen plasma

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of a study of the microstructure and structure of plates made of tungsten metal powder (group of companies “Specmetalmaster”, GC “SMM”) used as protective tiles in the lower divertor of the tokamak Globus-M and subjected to additional treatment with hydrogen plasma of a coaxial accelerator from distances of 50 and 260 mm at 5, 10 and 20 irradiation cycles are presented. The microstructure and elemental composition of the plate surface were determined by scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy, respectively. The microstructure of the irradiated surface layer of the plates at a penetration depth of X-rays up to ~1.4 μm was analyzed from X-ray diffraction data using graphical methods of Williamson–Hall plot and crystallite size — microstrain plot adapted to take into account the observed pseudo-Voigt type of X-ray reflections. The structure of this layer was refined using the Rietveld method. The asymmetry of tungsten (W) reflections after plasma treatment was described by a model with 2 (for samples irradiated from a distance of 260 mm) and 3 (for a distance of 50 mm) crystalline W phases of the same cubic symmetry, but with slightly different parameters of the cubic unit cell and with different values of the mean size of crystallites and the absolute value of mean microstrain in them.

About the authors

D. D. Polyakov

Ioffe Institute; Saint Petersburg Electrotechnical University “LETI”

St. Petersburg, 194021 Russia; St. Petersburg, 197022 Russia

A. V. Voronin

Ioffe Institute

St. Petersburg, 194021 Russia

A. V. Nashchekin

Ioffe Institute

St. Petersburg, 194021 Russia

A. A. Levin

Ioffe Institute

Email: aleksandr.a.levin@mail.ioffe.ru
St. Petersburg, 194021 Russia

References

  1. Будаев В.П. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2015. Т. 38. № 4. С. 5. https://www.doi.org/10.21517/0202-3822-2015-38-4-5-33
  2. Воронин А.В., Александров А.Е., Бер Б.Я., Брунков П.Н., Борматов A.A., Гусев В.К., Демина Е.В., Новохацкий A.Н., Павлов С.И., Прусакова М.Д., Сотникова Г.Ю., Яговкина М.А. // ЖТФ. 2016. Т. 86. № 3. С. 51.
  3. Seyedhabashi M.M., Tafreshi M.A., Bidabadi B.S., Shafiei S., Abdisaray A. // Appl. Radiat. Isot. 2019. V. 154. P. 108875. https://www.doi.org/10.1016/j.apradiso.2019.108875
  4. Bhuyan M., Mohanty S.R., Rao C.V.S., Rayjada P.A., Raole P.M. // Appl. Surf. Sci. 2013. V. 264. P. 674. https://www.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.10.093
  5. Parish C.M., Wang K., Doerner R.P., Baldwin M.J. // Scr. Mater. 2017. V. 127. P. 132. https://www.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.09.018
  6. Javadi S., Ouyang B., Zhang Z., Ghoranneviss M., Elahi A.S., Rawat R.S. // Appl. Surf. Sci. 2018. V. 443. P. 311. https://www.doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.03.039
  7. Makhlaj V.A., Garkusha I.E., Malykhin S.V., Pugachov A.T., Landman I., Linke J., Pestchanyi S., Chebotarev V.V., Tereshin V.I. // Phys. Scr. 2009. V. 2009. № T138. P. 014060. https://www.doi.org/10.1088/0031-8949/2009/T138/014060
  8. Makhlaj V.A., Garkusha I.E., Linke J., Malykhin S.V., Aksenov N.N., Byrka O.V., Herashchenko S.S., Surovitskiy S.V., Wirtz M. // Nucl. Mat. Energ. 2016. V. 9. P. 116. https://www.doi.org/10.1016/j.nme.2016.04.001
  9. Арутюнян З.Р., Огородникова О.В., Аксенова А.С., Гаспарян Ю.М., Ефимов В.С., Харьков М.М., Казиев А.В., Волков Н.В. // Поверхность. Рентген. cинхротр. нейтрон. исслед. 2020. Т. 12. № 12. С. 21. https://www.doi.org/10.31857/S1028096020120067
  10. Wang K., Doerner R.P., Baldwin M.J., Meyer F.W., Bannister M.E., Darbal A., Stroud R., Parish C.M. // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 42315. P. 1. https://www.doi.org/10.1038/srep42315
  11. Kozushkina A., Pavlov S.I., Voronin A.V., Sokolov R.V., Levin A.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1697. P. 01234. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1697/1/012134
  12. Herashchenko S.S., Girka O.I., Surovitskiy S.V., Makhlai V.A., Malykhin S.V., Myroshnyk M.O., Bizyukov I.O., Aksenov N.N., Borisova S.S., Bizyukov O.A., Garkusha I.E. // Nucl. Instr. Meth. B. 2019. V. 440. P. 82. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2018.12.010
  13. Tokitani M., Miyamoto M., Masuzaki S., Hatano Y., Lee S.E., Oya Y., Otsuka T., Oyaidzu M., Kurotaki H., Suzuki T., Hamaguchi D., Hayashi T., Asakura N., Widdowson A., Jachmich S., Rubel M. // Phys. Scr. 2020. V. 2020. № T171. P. 014010. https://www.doi.org/10.1088/1402-4896/ab3d09
  14. Zhao C., Chen Y., Song J., Mei X., Pan Q., Zhang R., Yang L., Zhao F., Li J., Wang D. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2023. V. 65. № 1. P. 015012. https://www.doi.org/10.1088/1361-6587/aca4f6
  15. Guo W., Wang S., Xu K., Zhu Y., Wang X.-X., Cheng L., Yuan Y., Fu E., Guo L., De Temmerman G., Lu G.-H. // Phys. Scr. 2020. V. 2020. № T171. 014004. https://www.doi.org/10.1088/1402-4896/ab36d8
  16. Gago M., Kreter A., Unterberg B., Wirtz M. // Phys. Scr. 2020. V. 2020. № T171. P. 014007. https://www.doi.org/10.1088/1402-4896/ab3bd9
  17. Kengesbekov A., Rakhdilov B., Satbaeva Z. Investigation of Microstructure and Mechanical Properties of Tungsten Irradiated by Helium Plasma. Preprint 2023111205. 2023. https://www.doi.org/10.20944/preprints202311.1205.v1
  18. Khan A., de Temmerman G., Kajita S., Greuner H., Balden M., Hunger K., Ohno N., Hwangbo D., Tomita Y., Tokitani M., Nagata D., Yajima M. // Phys. Scr. 2020. № T171. P. 014050. https://www.doi.org/10.1088/1402-4896/ab52c6
  19. Гусев В.К., Голант В.Е., Гусаков Е.З., Дьяченко В.В., Ирзак М.А., Минаев В.Б., Мухин Е.Е., Новохацкий А.Н., Подушникова К.А., Раздобарин Г.Т., Сахаров Н.В., Трегубова Е.Н., Узлов В.С., Щербинин О.Н., Беляков В.А., Кавин А.А., Косцов Ю.А., Кузьмин Е.Г., Сойкин В.Ф., Кузнецов Е.А., Ягнов В.А. // ЖТФ. 1999. Т. 69. № 9. С. 58.
  20. DIFFRAC.EVA. (2024) Software for the analysis of 1D and 2D X-ray datasets including visualization, data reduction, phase identification and quantification, statistical evaluation. Bruker AXS. Karlsruhe. Germany. https://www.bruker.com/ru/products-and-solutions/diffractometers-and-x-ray-microscopes/x-ray-diffractometers/diffrac-suite-software/diffrac-eva.htm. Cited 5 Juni 2024
  21. International Centre for Diffraction Data (ICDD). Powder Diffraction File-2 (2014) Newton Square, PA, USA. https://www.icdd.com/. Cited 5 Juni 2024
  22. Maunders C., Etheridge J., Wright N., Whitfield H.J. // Acta. Crystallogr. B. 2005. V. 61. № 1. 154. https://www.doi.org/10.1107/S0108768105001667
  23. Terlan B., Levin A.A., Börrnert F., Simon F., Oschatz M., Schmidt M., Cardoso-Gil R., Lorenz T., Baburin I.A., Joswig J.-O., Eychmüller A. // Chem. Mater. 2015. V. 27. № 14. P. 5106. https://www.doi.org/10.1021/acs.chemmater.5b01
  24. Terlan B., Levin A.A., Börrnert F., Zeisner J., Kataev V., Schmidt M., Eychmüller A. // Eur. J. Inorg. Chem. 2016. V. 6. № 21. P. 3460. https://www.doi.org/10.1002/ejic.201600315
  25. Langford J.I., Cernik R.J., Louer D. // J. Appl. Crystallogr. 1991. V. 24. № 5. P. 913. https://www.doi.org/10.1107/S0021889891004375
  26. Levin A.A. Program SizeCr for calculation of the microstructure parameters from X-ray diffraction data. 2022. https://www.doi.org/10.13140/RG.2.2.15922.89280
  27. Rehani B.R., Joshi P.B., Lad K.N., Pratap A. // Indian J. Pure Appl. Phys. 2006. V. 44. № 2. P. 157.
  28. Scherrer P. // Nachr. Kӧnigl. Ges. Wiss. Gӧttingen. 1918. B. 26. S. 98.
  29. Stokes A.R., Wilson A.J.C. // Proc. Phys. Soc. London. 1944. V. 56. № 3. P. 174. https://www.doi.org/10.1088/0959-5309/56/3/303
  30. Coelho A.A. // J. Appl. Crystallogr. 2018. V. 51. P. 210. https://www.doi.org/10.1107/S1600576718000183
  31. Berger H. // X-ray Spectrom. 1986. V. 15. № 4. P. 241. https://www.doi.org/10.1002/xrs.1300150405
  32. Pitschke W., Hermann H., Mattern N. // Powder Diffr. 1993. V. 8. № 2, P. 74. https://www.doi.org/10.1017/S0885715600017875
  33. Rietveld H.M. // Z. Kristallogr. 2010. B. 225. № 12. S. 545. https://www.doi.org/10.1524/zkri.2010.1356
  34. Dubrovinsky L.S., Saxena S.K. // Phys. Chem. Miner. 1997. V. 24. № 8. P. 547. https://www.doi.org/10.1007/s002690050070
  35. Dollase W.A. // J. Appl. Crystallogr. 1986. V. 19. № 4. P. 267. https://www.doi.org/10.1107/S0021889886089458
  36. Järvinen M. // J. Appl. Crystallogr. 1993. V. 26. № 4. P. 525. https://www.doi.org/10.1107/S0021889893001219
  37. Cheary R.W., Coelho A.A. // J. Appl. Crystallogr. 1992. V. 25. № 2. P. 109. https://www.doi.org/10.1107/S0021889891010804
  38. Balzar D., Voigt-function model in diffraction line-broadening analysis. // Defect and Microstructure Analysis by Diffraction. / Ed. Snyder R.L., Fiala J., Bunge H.J. Oxford: IUCr, Oxford Uni. Press, 1999. P. 94.
  39. Balashova E., Levin A.A., Fokin A., Redkov A., Krichevtsov B. // Crystals. 2021. V. 11. № 11. P. 1278. https://www.doi.org/10.3390/cryst11111278
  40. Bérar J.-F., Lelann P.J. // J. Appl. Crystallogr. 1991. V. 24. № 1. P. 1. https://www.doi.org/10.1107/S0021889890008391
  41. Andreev Yu.G. // J. Appl. Crystallogr. 1994. V. 27. № 2. P. 288. https://www.doi.org/10.1107/S002188989300891X
  42. Levin A.A. Program RietESD for correction of estimated standard deviations obtained in Rietveld-refinement programs. 2022. https://www.doi.org/10.13140/RG.2.2.10562.04800
  43. Narykova M.V., Levin A.A., Prasolov N.D., Lihachev A.I., Kardashev B.K., Kadomtsev A.G., Panfilov A.G., Sokolov R.V., Brunkov P.N., Sultanov M.M., Kuryanov V.N., Tyshkevich V.N. // Crystals. 2022. V. 12. № 2. P. 166. https://www.doi.org/10.3390/cryst12020166
  44. Hill R.J., Fischer R.X. // J. Appl. Crystallogr. 1990. V. 23. № 5. P. 462. https://www.doi.org/10.1107/S0021889890006094
  45. Pecharsky V.K., Zavalij P.Y. Preferred orientation. // Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials. 2nd edition. New York, USA: Springer Science+Business Media LLC, 2009. P. 194.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».