Análise de isótopos de hidrogênio em W - Grupo de Corrida do Rio Zhejiang

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2285 (2023) Citar este artigo

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A Espectroscopia de Desintegração Induzida por Laser (LIBS) é uma tecnologia promissora para análise in-situ de componentes de revestimento de plasma em instalações de fusão de confinamento magnético. É de grande interesse monitorar a retenção de isótopos de hidrogênio, ou seja, trítio e deutério durante muitas horas de operação para garantir a segurança e disponibilidade do futuro reator. Em nossos estudos, usamos pulsos de laser ultravioleta de femtosegundo para analisar telhas de tungstênio (W) que foram expostas a um plasma de deutério no dispositivo de plasma linear PSI-2, que imita as condições da primeira parede. Um espectrômetro de alta resolução é usado para detectar a transição Balmer-\(\alpha\) da superfície de isótopos de hidrogênio implantados (H e D). Usamos Calibration Free CF-LIBS para quantificar a quantidade de deutério armazenado em W. Este estudo de prova de princípio mostra a aplicabilidade de lasers de femtosegundo para a detecção de baixa concentração de deutério presente no material da primeira parede de experimentos de fusão predominantes.

Os componentes de revestimento de plasma (PFCs) de uma câmara de vácuo de fusão magneticamente confinada são expostos a condições ambientais extremas, incluindo altas temperaturas extraordinárias, radiação e fluxos de partículas de alta energia. Todas essas circunstâncias levarão à erosão da superfície, deposição de partículas e, potencialmente, à destruição, resultando em maior probabilidade de retenção de combustível durante a operação de plasma de fusão1,2,3. Para garantir a segurança e a autossuficiência de trítio de um próximo reator de fusão, a quantidade total absorvida de deutério e trítio dentro dos PFCs precisa ser rastreada in-situ durante muitas horas de operação. O uso da espectroscopia de colapso induzido por laser (LIBS) foi proposto4, pois também tem inúmeras aplicações em diagnósticos não invasivos e pouco invasivos, como gerenciamento de lixo nuclear5 ou análise de materiais em missões atuais e futuras em Marte6. Especialmente quando se trata de detecção de elementos menores e aplicações de alta resolução de profundidade, a LIBS aparece como uma ferramenta poderosa7,8,9. Um requisito para um método LIBS quantitativo é uma difusão de calor reduzida para o material a granel pelos pulsos de laser, de modo que as aproximações estequiométricas possam ser mantidas quando o plasma em expansão é analisado. Para garantir isso e obter uma resolução de alta profundidade, o uso de um pulso de laser com duração menor que picossegundos é uma solução preferencial10.

Neste trabalho utilizamos pulsos ultracurtos de laser UV para geração de plasma laser em ambiente de argônio, acoplados à detecção de emissão ótica com um espectrômetro Czerny-Turner de alta resolução espectral. O método de detecção aqui é semelhante aos estudos de Kurniawan et al.11. As capacidades deste sistema combinadas com uma abordagem CF-LIBS permitiram a detecção e quantificação do conteúdo de hidrogênio e deutério de telhas de tungstênio expostas a um plasma de deutério no dispositivo de plasma linear PSI-2 em Forschungszentrum Jülich12. Esses blocos servem como substitutos para PFCs nesse contexto. O teor de deutério calculado com CF-LIBS foi diretamente comparado aos resultados obtidos com Espectroscopia de Dessorção Térmica (TDS). O comprimento de onda UV de \(343\,{\mathrm{nm}}\) e a duração do pulso de \(500\,\mathrm{fs}\) foram escolhidos para trabalhar na maior resolução de profundidade possível, o que é promissor devido à pequena profundidade de penetração óptica de \(7.4\,{\mathrm{nm}}\) em tungstênio13. Este trabalho serve como prova de princípio para quantificação in-situ de isótopos de hidrogênio para futura aplicação em componentes voltados para plasma em experimentos de fusão em confinamento.

Contagem máxima detectada (largura do portão \(100\,{\mathrm{ns}}\)) das linhas espectrais WI (esquerda) e \(\text{H}_{\alpha }\) (direita) em \( 643.97\,{\mathrm{nm}}\) e \(656.28\,{\mathrm{nm}}\) em telha de tungstênio (W) não tratada usando a mesma configuração com argônio ambiente (quadrados azuis) e ar (cruzes vermelhos ) à pressão atmosférica. Ajustes exponenciais são indicados com linhas tracejadas.

4.3\times 10^{15}\,{\mathrm{cm}}^{-3}\)./p>400\,{\mathrm{ns}}\). Here, the uncertainties are just statistical variations and have to be extended by the mentioned approximations and deviations of the ablated volume. This includes that the value is probably more an upper limit due to the overestimated Balmer-\(\alpha\) intensity that is influenced by a \(\text{W}\)-I line. Considering this, the value holds up to a comparison to the TDS data. The total number of deuterium atoms detected in the whole sample is estimated as \((3.8\pm 0.8)\times 10^{16}\). Here, an accuracy of around \(21\%\) is calculated. From this we expect up to \((1.2\pm 0.2)\times 10^{11}\) atoms on the laser irradiated spot in the LIBS experiment, which is a factor two larger than what we calculated by the CF-LIBS approach. This deviation might result from the uncertainty of the two methods, as it can be expected from studies on PSI-227 that deuterium is only stored in depths of around \(100\,{\mathrm{nm}}\). Also note that the deuterium distribution along one dimension of the tiles surface is not homogeneous due to the plasma gradient given in the exposure process. This can result in an over or underestimation of the expected deuterium number depending on the position on the tile. The presented measurement is executed close to the center of the tile and along the axis where we do not expect significant changes in the deposition. In conclusion, the presented CF-LIBS method can be used to determine the deuterium impact in the used W tiles as around \((1.7\pm 0.5)\,\text{at}\%\) in the first \(600\,{\mathrm{nm}}\) behind the surface with a high lateral resolution of \(\sim 20\,\upmu \mathrm{m}\), according to the crater diameter./p>