Analisi degli isotopi dell'idrogeno in W - Gruppo di corsa del fiume Zhejiang

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2285 (2023) Citare questo articolo

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La spettroscopia di rottura indotta dal laser (LIBS) è una tecnologia promettente per l'analisi in situ dei componenti rivolti verso il plasma negli impianti di fusione a confinamento magnetico. È di grande interesse monitorare la ritenzione degli isotopi dell'idrogeno, ovvero trizio e deuterio, per molte ore di funzionamento per garantire la sicurezza e la disponibilità del futuro reattore. Nei nostri studi utilizziamo impulsi laser ultravioletti a femtosecondi per analizzare le piastrelle di tungsteno (W) esposte a un plasma di deuterio nel dispositivo al plasma lineare PSI-2, che imita le condizioni della prima parete. Uno spettrometro ad alta risoluzione viene utilizzato per rilevare la transizione Balmer-\(\alpha\) della superficie degli isotopi di idrogeno impiantati (H e D). Utilizziamo CF-LIBS Calibration Free per quantificare la quantità di deuterio immagazzinata in W. Questo studio di prova di principio mostra l'applicabilità dei laser a femtosecondi per il rilevamento di una bassa concentrazione di deuterio presente nel materiale della prima parete degli esperimenti di fusione prevalenti.

I componenti rivolti al plasma (PFC) di una camera a vuoto di fusione confinata magneticamente sono esposti a condizioni ambientali estreme, tra cui temperature straordinariamente elevate, radiazioni e flussi di particelle ad alta energia. Tutte queste circostanze porteranno all’erosione superficiale, alla deposizione di particelle e potenzialmente alla distruzione con una conseguente maggiore probabilità di ritenzione di carburante durante l’operazione di fusione-plasma1,2,3. Per garantire la sicurezza e l’autosufficienza in trizio di un prossimo reattore a fusione, la quantità totale assorbita di deuterio e trizio all’interno dei PFC deve essere monitorata in situ per molte ore di funzionamento. È stato proposto l'uso della spettroscopia di degradazione indotta da laser (LIBS)4, in quanto ha anche numerose applicazioni nella diagnostica a intervento manuale e poco invasiva come la gestione dei rifiuti nucleari5 o l'analisi dei materiali nelle missioni su Marte attuali e future6. Soprattutto quando si tratta del rilevamento di elementi minori e di applicazioni con risoluzione ad alta profondità, LIBS appare come uno strumento potente7,8,9. Un requisito per un metodo LIBS quantitativo è una ridotta diffusione del calore nel materiale sfuso da parte degli impulsi laser in modo che le approssimazioni stecometriche possano essere valide quando viene analizzato il plasma in espansione. Per garantire ciò e ottenere un'elevata risoluzione della profondità, la soluzione preferita è l'uso di una durata dell'impulso laser inferiore ai picosecondi10.

In questo lavoro abbiamo utilizzato impulsi laser UV ultracorti per la generazione di plasma laser in un ambiente di argon, accoppiati con il rilevamento delle emissioni ottiche con uno spettrometro Czerny-Turner ad alta risoluzione spettrale. Il metodo di rilevamento qui è simile agli studi di Kurniawan et al.11. Le funzionalità di questo sistema, combinate con un approccio CF-LIBS, hanno consentito il rilevamento e la quantificazione del contenuto di idrogeno e deuterio delle piastrelle di tungsteno esposte a un plasma di deuterio nel dispositivo al plasma lineare PSI-2 presso Forschungszentrum Jülich12. Queste tessere fungono da surrogati dei PFC in questo contesto. Il contenuto di deuterio calcolato con CF-LIBS è stato confrontato direttamente con i risultati ottenuti con la spettroscopia di desorbimento termico (TDS). La lunghezza d'onda UV di \(343\,{\mathrm{nm}}\) e la durata dell'impulso di \(500\,\mathrm{fs}\) sono state scelte per lavorare verso la massima risoluzione di profondità possibile, il che è promettente grazie alla piccola profondità di penetrazione ottica di \(7,4\,{\mathrm{nm}}\) nel tungsteno13. Questo lavoro funge da prova di principio per la quantificazione in situ degli isotopi dell'idrogeno per future applicazioni nei componenti rivolti verso il plasma negli esperimenti di fusione a confinamento.

Conteggio massimo rilevato (larghezza del gate \(100\,{\mathrm{ns}}\)) delle linee spettrali WI (a sinistra) e \(\text{H}_{\alpha }\) (a destra) in \( 643.97\,{\mathrm{nm}}\) e \(656.28\,{\mathrm{nm}}\) su piastrella di tungsteno non trattato (W) utilizzando la stessa configurazione con argon ambientale (quadrati blu) e aria (croci rosse ) a pressione atmosferica. Gli adattamenti esponenziali sono indicati con linee tratteggiate.

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>