Structure evolution of tungsten coatings exposed to plasma flows under ITER ELM relevant conditions

Structure, substructure and stress parameters both on the surface and distributed by depth in the tungsten/steel coatings exposed to high energy hydrogen plasma fluxes were studied by X-ray diffraction methods. The hydrogen plasma exposure results in the following recrystallization processes in the thin surface layer of the coating: appearing the texture axis [100] normal to the surface; increasing the coherence length from 60 nm in the initial state to 80 nm after the plasma exposure; completely annealed micro-strains; and dislocation density lowered twice in the exposed surface layer - all these facts confirm the thermal character of the hydrogen plasma influence. No structure variations were observed already at the depth near 1 m of the coating.Методами рентгеновской дифракции изучено изменение параметров структуры, субструктуры и напряжённого состояния на поверхности и по глубине покрытий вольфрам/сталь после облучения потоком водородной плазмы. Облучение плазмой приводит к рекристаллизационным процессам в тонком поверхностном слое покрытия: появлению текстуры [100] по нормали к поверхности, увеличению областей когерентного рассеяния от 60 нм в исходном состоянии до 80 нм после облучения, полному отжигу микронапряжений, а также уменьшению в два раза плотности дислокаций. Это подтверждает термический характер воздействия водородной плазмы. Уже на глубине около 1 мкм в покрытии никаких структурных изменений не выявлено.Методами рентгенівської дифракції вивчено змінення параметрів структури, субструктури та напруженого стану на поверхні та по глибині покриттів вольфрам/сталь після опромінення потоком водневої плазми. Опромінення плазмою призводить до рекристалізаційних процесів у тонкому поверхневому шарі покриття: виникненню текстури [100] по нормалі до поверхні, збільшенню областей когерентного розсіювання від 60 нм у початковому стані до 80 нм після опромінення, повному відпалу мікронапружень, а також зменшенню у двічі густини дислокацій. Це підтверджує термічний характер впливу водневої плазми. Вже на глибині біля 1 мкм у покритті ніяких структурних змін не виявлено

Erosion features of tungsten surfaces under combined steady-state and transient plasma loads

The paper presents the experimental research on damage of the tungsten surfaces under combined plasma exposures. Steady-state hydrogen exposures (particle flux of 2×10²² m⁻²s⁻¹ , heat flux of 1.7 MW/m² , fluence of 1026 m⁻² , average ion energy of 2 keV) were provided by FALCON ion source. The pulsed plasma loads below the tungsten melting threshold (hydrogen plasma streams with surface heat load of 0.45 MJ/m² and the pulse duration of 0.25 ms) were performed by means of QSPA Kh-50 device. The behavior of structure, sub- structure and stress-state of tungsten samples have been studied after each cycle of pulsed and steady-state plasma loads.Представлено экспериментальное исследование повреждения вольфрамовых поверхностей, подверженных комбинированному плазменному воздействию. Стационарные водородные ионные потоки (поток частиц 2×10²² м⁻² с⁻¹ , тепловой поток 1,7 МВт м⁻² , флюенс 1026 ·м⁻² , средняя энергия ионов 2 кэВ) получены с помощью источника ионов FALCON. Импульсные плазменные нагрузки ниже порога плавления вольфрама (потоки водородной плазмы с удельной энергией 0,45 МДж·м⁻² и длительностью импульса 0,25 мс) создавались на КСПУ Х-50. Изучено изменение структуры, субструктуры и напряженно- деформированного состояния вольфрамовых образцов под влиянием многоцикличных плазменных нагрузок.Представлено експериментальне дослідження пошкодження вольфрамових поверхонь під дією комбінованого плазмовому впливу. Стаціонарні водневі іонні потоки (потік частинок 2×10²² м⁻² с⁻¹, тепловий потік 1,7 МВт·м⁻² , флюенс 1026 м⁻² , середня енергія іонів 2 кеВ) отримані за допомогою джерела іонів FALCON. Імпульсні плазмові навантаження нижче порога плавлення вольфраму (потоки водневої плазми з питомою енергією 0,45 МДж·м⁻² і тривалістю імпульсу 0,25 мс) створювалися на КСПП Х-50. Вивчено зміну структури, субструктури і напружено-деформованого стану вольфрамових зразків під впливом багатоциклічних плазмових навантажень

Vacuum-arc plasma source with steered cathode spot

The improved version of a vacuum arc plasma source with magnetic control of a cathode spot and focusing of plasma stream is described. The advanced structure of the cathode unit, the shortened anode and their swing joint with each other allowed reducing overall dimensions of a source, lowering its material capacity, increasing weight of the consumable cathode material, simplifying procedure of replacement of the cathode, improving design and raising performance data of the source. On operational characteristics of the new plasma source exceeds the best modern plasma sources of similar designation.Описаний удосконалений варіант вакуумно-дугового джерела плазми з керованою магнітним полем катодною плямою й фокусуванням вихідного плазмового потоку. Удосконалена конструкцію катодного вузла, укорочений анод та їх шарнірне з’єднання один з одним дозволили скоротити габаритні розміри джерела, знизити його матеріалоємність, збільшити масу катодного матеріалу, що витрачається, спростити операцію заміни катода, покращити дизайн і підвищити робочі характеристики джерела.Описан усовершенствованный вариант вакуумно-дугового источника плазмы с магнитным управлением катодным пятном и фокусировкой выходного потока. Усовершенствованная конструкция катодного узла, укороченный анод и их шарнирное соединение друг с другом позволили сократить габаритные размеры источника, снизить его материалоёмкость, увеличить массу расходуемого катодного материала, упростить операцию замены катода, улучшить дизайн и повысить рабочие характеристики источника

Alloying and modification of stainless steels by powerful plasma streams

The stainless steel surfaces coated of tungsten have been alloyed and modified with powerful QSPA Kh-50 plasma streams. The plasma streams exposures result in modification of steel-based materials and formation of resolidified layers. The changes of substrate texture were also registered. Phase characterized by body-centered cubic lattice appeared due to recrystallization of affected material. Thus, the favorable conditions were created for penetration of tungsten into the stainless steel bulk. Growth of lattice parameter was observed as result of plasma irradiation of coated samples. It's indication of tungsten penetration into the depth of substrates.Поверхности из нержавеющей стали с покрытием из вольфрама были легированы и модифицированы мощными плазменными потоками в КСПУ Х-50. Облучение потоком плазмы приводит к модификации материалов на основе сталей и формирование повторно затвердевшего слоя. Изменения текстуры подложки были также зарегистрированы. Фаза, которая характеризуется объёмно центрированной кубической решёткой, появилась вследствие рекристаллизации облучённого материала. Таким образом, были созданы необходимые условия для проникновения вольфрама в нержавеющую сталь. Рост параметра решётки наблюдался в результате плазменного облучения образцов с покрытием. Это указывает на проникновение вольфрама в глубину субстратов.Поверхні з нержавіючої сталі з покриттям з вольфраму були леговані і модифіковані потужними плазмовими потоками в КСПП Х-50. Опромінення потоком плазми призводить до модифікації матеріалів на основі сталей і формування повторно затверділого шару. Зміни текстури підкладки були також зареєстровані. Фаза, яка характеризується об'ємно центрованою кубічною решіткою, з'явилася внаслідок рекристалізації опроміненого матеріалу. Таким чином, були створені необхідні умови для проникнення вольфраму в нержавіючу сталь. Зростання параметра решітки спостерігався в результаті плазмового опромінення зразків з покриттям. Це вказує на проникнення вольфраму в глибину субстратів

Modification and alloying effects in Eurofer steel under powerful pulsed plasma impacts

Experimental studies of surface modification of Eurofer samples have been performed with a quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The heat load on the surface was near the tungsten melting threshold (i.e. about 0.6 MJ/m²). The plasma streams exposures result in modification of steel-based materials and formation of cellular submicron structures in re-solidified layers. Phase characterized by body-centered cubic lattice appeared due to recrystallization of affected material.Експериментальні дослідження модифікації поверхні зразків Eurofer проводилися на квазі-стаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Теплове навантаження на поверхню було близьке до порогу плавлення вольфраму (тобто близько 0,6 МДж/м²). Вплив плазмових потоків призводить до модифікації сталі Eurofer та формування субмікрометрових стільникових структур у приповерхневому шарі. Фаза, яка характеризується об'ємно-центрованою кубічною решіткою, з'явилася внаслідок рекристалізації опроміненого матеріалу.Экспериментальные исследования модификации поверхности образцов Eurofer проводились на квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Тепловая нагрузка на поверхность была близка к порогу плавления вольфрама (то есть около 0,6 МДж/м²). Воздействие плазменных потоков приводит к модификации стали Eurofer и формированию субмикрометровых ячеистых структур в приповерхностном слое. Фаза, которая характеризуется объемно-центрированной кубической решеткой, появилась в результате рекристаллизации облученного материала

Combined exposures of tungsten by stationary and transient hydrogen plasma heat loads: preliminary results

Influence of combined hydrogen plasma exposures on tungsten behavior was studied in QSPA Kh-50 facility and steady-state ion beam system FALCON. Pulsed plasma loads (0.45 MJ/m²) were below the tungsten melting threshold. The influence of addition steady-state heat flux (of 0.43 MW/m² during 900 s) on development of surface damage in tungsten targets was studied. Evolution of residual stresses and lattice spacing were investigated. For combined irradiation faster relaxation of residual stresses occurred. The damage of exposed surface was caused by physical spattering and cracks appearing.Влияние комбинированных водородных плазменных экспозиций на поведение вольфрама изучено в КСПУ Х-50 и ионно-лучевой системе FALCON. Импульсные нагрузки (0.45 MДж/м²) были ниже порога плавления вольфрама. Было изучено влияние дополнительных стационарных тепловых нагрузок (0,43 MВт/м² в течение 900 с) на развитие поверхностных повреждений в вольфрамовых образцах. Развитие остаточных напряжений и параметра решетки было изучено для различных видов плазменного облучения. При комбинированном облучении зарегистрирована быстрая релаксация остаточных напряжений. Повреждения облученных поверхностей обусловлены физическим распылением и появлением трещин.Вплив комбінованих водневих плазмових експозицій на поведінку вольфраму вивчено в КСПП Х-50 и іонно-променевій системі FALCON. Імпульсні навантаження (0.45 MДж/м²) були нижче порогу плавлення вольфраму. Було вивчено вплив додаткових стаціонарних теплових навантажень (0,43 MВт/м² протягом 900 с) на розвиток поверхневих пошкоджень у вольфрамових зразках. Розвиток залишкових напружень і параметра решітки було вивчено для різних видів плазмового опромінення. При комбінованому опроміненні зареєстровано швидку релаксацію залишкових напружень. Пошкодження опромінених поверхонь обумовлені фізичним розпорошенням і появою тріщин

Damaging of pure tungsten with different microstructure under sequential QSPA and LHD plasma loads

The cracking thresholds were evaluated for tungsten samples with different microstructure in the course of QSPA Kh – 50 repetitive plasma loads. No damage has been observed on the exposed surfaces under 0.1 MJ/m². Nevertheless, cracks were detected in the bulk of irradiated tungsten (with longitudinal grain orientation). Increasing heat load up to 0.2 MJ/m² caused the damaging of all types of tungsten targets. The observed cracks propagate to the bulk mainly transversely and parallel to the irradiated surface. The effect of the subsequent exposure with LHD divertor plasma on the tungsten samples was analyzed. The obtained results are discussed.Було оцінено пороги розтріскування для зразків вольфраму з різною мікроструктурою в процесі повторюваних плазмових навантажень КСПП Х–50. При навантаженнях менше 0,1 МДж/м², на відкритих поверхнях зразків вольфраму ушкоджень не спостерігається. Проте, тріщини спостерігаються в обсязі опроміненого зразка вольфраму з поздовжньою орієнтацією зерен. Підвищення теплового навантаження до 0,2 МДж/м² призводить до пошкодження всіх типів вольфрамових мішеней. Тріщини поширюються в обсязі в основному поперечно і паралельно до опромінюваної поверхні. Проаналізовано вплив діверторної плазми LHD на поверхню зразків вольфраму. Порівнюються результати впливу на зразки вольфраму з різною мікроструктурою.Были оценены пороги растрескивания для образцов вольфрама с различной микроструктурой в процессе повторяющихся плазменных нагрузок КСПУ Х–50. При нагрузках менее 0,1 МДж/м² на открытых поверхностях образцов вольфрама повреждений не наблюдается. Тем не менее трещины наблюдаются в объеме облученного образца вольфрама с продольной ориентацией зерен. Повышение тепловой нагрузки до 0,2 МДж/м² приводит к повреждению всех типов вольфрамовых мишеней. Наблюдаемые трещины распространяются в объеме в основном поперечно и параллельно облучаемой поверхности. Проанализировано влияние диверторной плазмы LHD на поверхность образцов вольфрама. Сравниваются результаты воздействия на образцы вольфрама с различной микроструктурой

Erosion properties of tungsten and WTa5 alloy exposed to repetitive QSPA plasma loads below melting threshold

The damage of deformed double forged pure tungsten (W) and tungsten alloyed with 5 wt.% tantalum (WTa5) have been studied in experimental simulations of ITER-like transient events (surface heat load of 0.45 MJ/m² and the pulse duration of 0.25 ms) with quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The plasma exposures were performed for targets maintained at room temperature and preheated at 200 or 300°C. The large and fine cracks appeared in result of plasma impacts. The high number of repetitive plasma loads below the melting threshold led to the clear degradation of thermo-mechanical properties of the affected surface layers on tungsten. Comparative analysis of the cracks propagation to the bulk is presented for both W and WTa5 samples.Вивчено пошкодження деформованого подвійною ковкою чистого вольфраму (W) та з легуючою 5 об.% домішкою танталу (WTa5) при експериментальному моделюванні умов перехідних процесів в ІТЕР (теплове навантаження на поверхню 0,45 МДж/м² , тривалість імпульсу 0,25 мс) у квазістаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Опромінення мішеней плазмою проводили при кімнатній початковій температурі та з підігрівом до 200 та 300°C. В результаті плазмового впливу з’являлися великі й маленькі тріщини. Велика кількість повторюваних плазмових навантажень нижча порога плавлення привела до явної деградації термомеханічних властивостей пошкоджених приповерхневих шарів вольфраму. Представлено порівняльний аналіз розповсюдження тріщин в об'єм для W- і WTa5-зразків.Изучены повреждения деформированного двойной ковкой чистого вольфрама (W) и с легирующей 5 об.% добавкой тантала (WTa5) при экспериментальном моделировании условий переходных процессов в ИТЭР (тепловая нагрузка на поверхность 0,45 МДж/м² , длительность импульса 0,25 мс) в квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Облучение мишеней плазмой проводили при комнатной начальной температуре и с подогревом до 200 и 300°C. В результате плазменного воздействия появлялись большие и мелкие трещины. Большое количество повторяющихся плазменных нагрузок ниже порога плавления привело к явной деградации термомеханических свойств поврежденных приповерхностных слоев вольфрама. Представлен сравнительный анализ распространения трещин в объем для W- и WTa5-образцов

Plasma-surface interaction during iter transient events: simulation with QSPA Kh-50 AND GOL-3 facilities

The paper presents experimental investigations of plasma-surface interaction (PSI) and materials behavior under plasma loads relevant to giant ELMs in ITER. The experiments were performed with QSPA Kh-50 and GOL-3 devices located in Kharkov, (Ukraine) and Novosibirsk (Russia) respectively. QSPA provided repetitive plasma pulses of the duration of 0.25 ms and the energy density up to 2.5 MJ/m². In GOL-3 multimirror trap the impacting plasma was heated up to 2…4 keV temperature by a high power relativistic electron beam (0.8 MeV, ~30 kA, ~12 µs, ~120 kJ). Surface morphology of the targets exposed to QSPA and GOL-3 plasma is analyzed. Development of cracking on the tungsten surface and droplets splashing are discussed.Представлені результати досліджень взаємодії плазми з поверхнею й поведінки матеріалів при плазмових навантаженнях, відповідних граничним локалізованим модам в ІТЕРі. Експерименти проводились на установках КСПП Х-50 (Харків) й ГОЛ-3 (Новосибірськ). Опромінення на КСПП проводилось повторюваними імпульсами тривалістю 0,25 мс та густиною енергії до 2,5 МДж/м². У гофрованій багатопробочній пастці ГОЛ-3 плазма, яка взаємодіє з матеріалами, нагрівалась до температури 2…4 кеВ потужним релятивістським електронним пучком (0.8 MеВ, ~30 кA, ~12 мкс, ~120 кДж). Аналізується морфологія поверхні мішеней, що опромінені на КСПП та ГОЛ-3. Обговорюється розвиток тріщин й крапельна ерозія вольфраму.Представлены результаты исследований взаимодействия плазмы с поверхностью и поведения материалов при плазменных нагрузках, соответствующих граничным локализованным модам в ИТЭРе. Эксперименты проводились на установках КСПУ Х-50 (Харьков) и ГОЛ-3 (Новосибирск). Облучение на КСПУ проводилось повторяющимися импульсами длительностью 0,25 мс и плотностью энергии до 2,5 МДж/м². В гофрированной многопробочной ловушке ГОЛ-3 взаимодействующая с материалами плазма нагревалась до температуры 2…4 кэВ мощным релятивистским электронным пучком (0.8 MэВ, ~30 кA, ~12 мкс, ~120 кДж). Анализируется морфология поверхности мишеней, облученных на КСПУ и ГОЛ-3. Обсуждается развитие трещин и капельная эрозия вольфрама

HIgh heat flux plasma testing of ITER divertor materials under ELM relevant conditions in QSPA Kh-50

Performed studies of plasma-surface interaction include measurements of plasma energy deposited to the material surface and determination of tungsten cracking threshold during repetitive ITER ELM-like plasma exposures in QSPA Kh-50 with plasma pulses of energy density up to 2.5 MJ/m2 and duration of 0.25 ms. The energy threshold for tungsten cracking development is found to be ~0,3 MJ/m2. The Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT) is experimentally estimated for ITER relevant tungsten grade. Major crack network (cells size up to 1.3 mm) forms only in cases of initial target temperatures below DBTT. Intergranular micro-cracks network (size of cells corresponds to the grain size) appears under heat loads after melting threshold