Структура и морфология материала на основе вольфрама первой стенки дивертора токамака до и после облучения водородной плазмой

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Описаны результаты исследования морфологии и структуры пластин марки “Вольфрам Металлопорошковый” (группа компаний “Спецметаллмастер” (ГК “СММ”)), применявшихся в качестве защитных плиток в нижнем диверторе токамака “Глобус-М” и подвергшихся дополнительной обработке водородной плазмой коаксиального ускорителя c расстояний 50 и 260 мм при 5, 10 и 20 циклах облучения. Морфология и элементный состав поверхности пластин определяли методами растровой электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии соответственно. Структуру облученного приповерхностного слоя пластин на глубине проникновения рентгеновских лучей до ~1.4 мкм анализировали по рентгенодифракционным данным графическими методами профильного анализа Вильямсона–Холла и “размер кристаллита–микродеформация”, адаптированным с учетом наблюдаемого псевдофойгтовского (pseudo-Voigt) типа рентгеновских отражений. Кристаллическая структура этого слоя уточнена с помощью метода Ритвельда. Асимметрия отражений вольфрама после обработки в плазме была описана моделью с двумя (для образцов, облученных с расстояния 260 мм) и тремя (для расстояния 50 мм) кристаллическими фазами W с одинаковой кубической симметрией, но с несколько разным параметром элементарной ячейки и разными значениями среднего размера кристаллитов и абсолютного среднего значения микродеформации в них.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. Д. Поляков

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” им. В. И. Ульянова (Ленина)

Автор, ответственный за переписку.
Email: aleksandr.a.levin@mail.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

А. В. Воронин

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: aleksandr.a.levin@mail.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Нащекин

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: aleksandr.a.levin@mail.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

А. А. Левин

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Email: aleksandr.a.levin@mail.ioffe.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Внешний вид пластины W260-5, полученный с помощью цифровой фотокамеры. Цена деления сетки 1 мм.

Скачать (201KB)
Метаданные
3. Рис. 2. РЭМ-изображения поверхности образцов вольфрама Wini (а), W260-20 (б) и W50-20 (в).

Скачать (685KB)
Метаданные
4. Рис. 3. ЭДС-спектры образцов вольфрама W260-20 (а) и W50-20 (б).

Скачать (156KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Графики зависимостей Y (X), построенные методами WHP (а) и SSP (б) для фазы W260(1) образца W260-10 по результатам рентгенодифракционных измерений: X = Kstrain sin (θB)2 / (FWHMcorrcos (θB)), Y = FWHMcorrcos (θB) в случае WHP; X = KScherrerFWHMcorrdcos (θB)/λ, Y = (FWHMcorrdcos (θB) / λ)2 в случае SSP; λ = 0.1540598 нм — длина волны излучения CuKα1; d — межплоскостное расстояние, отвечающее рефлексу с углом Брэгга 2θB; FWHMcorr — его FWHM, скоректированный на инструментальное уширение. Показаны регрессионные аппроксимационные прямые Y = A + BX, где A = 0.001, B = 2.93(55) × 10–7 на (а) и A = 1.02(20) × 10–6, B = 0.0077(8) 1/нм на (б).

Скачать (121KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Графические результаты сопоставления результата моделирования методом Ритвельда и экспериментальной рентгенодифракционной картины для образцов Wini (а), W260-20 (б) и W50-20 (в). Указаны индексы Миллера hkl отражений фазы W. В качестве примера вставки показывают вклады разных фаз W в наблюдаемый профиль отражения с индексами Миллера 112 (вклады фаз показаны в сумме с вкладом фона). Iexp, Icalc и Idiff = Iexp — Icalc — интенсивности измеренного сигнала и результат моделированния интенсивности рентгенодифракционной картины и разностная интенсивность соответственно. На рис. 5б символами показаны табличные (согласно [21]) позиции самых сильных по интенсивности наблюдаемых рефлексов примесных соединений W8O21, W10O29, Fe2O3 и Fe3O4, к которым отнесены слабые рефлексы, не относящиеся к W.

Скачать (320KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Параметр a кубической элементарной ячейки фаз W (а, б); средний размер кристаллитов D (в, г); абсолютное значение средней микродеформации εs в них (д, е) в зависимости от числа циклов облучения образцов W260 (а, в, д) и W50 (б, г, е). Значения всех параметров структуры и морфологии материала получены уточнением методом Ритвельда. Для сравнения на (а, б) штрихпунктирной горизонтальной линией указано значение параметра a кубической элементарной ячейки W, согласно PDF-2 (a = 3.1648 Å).

Скачать (321KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2025