Een onderzoeksteam van de Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) heeft onlangs onthuld dat blootstelling aan helium de penetratie van waterstofisotopen in wandmaterialen zou kunnen remmen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nuclear Fusion.

Door de interactie tussen het grensplasma van de fusiereactor en het materiaal, zullen deuterium en tritium de eerste wand binnendringen en de koelvloeistof binnendringen, waardoor de brandstofkosten en het veiligheidsrisico van de fusiereactor toenemen. Tegelijkertijd zullen de heliumdeeltjes die worden geproduceerd door de deuterium-tritiumfusiereactie ook direct het oppervlak van het materiaal bombarderen, wat de permeatie en het retentiegedrag van deuterium-tritium in het materiaal beïnvloedt.

In deze studie concentreerden wetenschappers zich op het effect van blootstelling aan heliumplasma op kandidaatwandmaterialen en de structurele materialen van fusiereactoren en onderzochten ze het mechanisme van blootstelling aan helium om de penetratie van waterstofisotopen in wandmaterialen te remmen.

Volgens de onderzoekers induceerden pre-exposure met lage energie heliumplasma's de vorming van uitstekende nanostructuren op het oppervlak van het materiaal. De deuterium-plasma-aangedreven permeatieflux nam geleidelijk af met de toename van de pre-expositie-fluentie van helium.

Door de resultaten te combineren met theoretische berekeningen, concludeerden ze dat de evolutie van de oppervlaktetopografie en de heliumbellenlaag nabij het oppervlak een dubbel reductie-effect hadden op de penetratie van waterstofisotoop door het materiaal - de uitstekende structuur aan het oppervlak verhoogde de gereflecteerde flux van invallende ionen en verminderde de implantatie flux. Bovendien verminderden de nabij-oppervlakte heliumbellen de transportkanalen voor de binnenwaartse diffusie van waterstofisotoopatomen en verminderden ze de steady-state permeatieflux van waterstofisotopen verder.

Gebaseerd op eerdere studies over waterstofisotooppermeatie van wandmaterialen en structurele materialen, realiseert deze studie een kwantitatieve analyse van het effect van blootstelling aan helium, wat ondersteuning kan bieden voor de evaluatie van tritiumpermeatie in de eerste wand van fusiereactoren.

Onderzoekers ontdekken mechanisme achter invloed van bestralingsdefecten op tritiumpermeatiebarrière