Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000
The paper presents experimental investigations of damages in pure tungsten and ODS (oxide dispersed strengthened) tungsten under dense plasma shots. The experiments were performed with plasma focus devices PF-12 and PF-1000 with a power flux density of 10⁶…10¹² W/cm² using deuterium. The surface mor...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109196 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 / V. Shirokova, T. Laas, J. Priimets, E.V. Demina, M.D. Prusakova, M. Sholtz // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 232-234. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860181169942822912 |
|---|---|
| author | Shirokova, V. Laas, T. Priimets, J. Demina, E.V. Prusakova, M.D. Sholtz, M. |
| author_facet | Shirokova, V. Laas, T. Priimets, J. Demina, E.V. Prusakova, M.D. Sholtz, M. |
| citation_txt | Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 / V. Shirokova, T. Laas, J. Priimets, E.V. Demina, M.D. Prusakova, M. Sholtz // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 232-234. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | The paper presents experimental investigations of damages in pure tungsten and ODS (oxide dispersed strengthened) tungsten under dense plasma shots. The experiments were performed with plasma focus devices PF-12 and PF-1000 with a power flux density of 10⁶…10¹² W/cm² using deuterium. The surface morphology of the targets exposed to plasma streams is analyzed using electron and optical microscopy. Due to the plasma effect, different surface structures, such as wave-like structures, a melted layer, a mesh of microcracks, droplets, craters, crevices and holes appear. Both the original and irradiated samples were investigated by local X-ray spectroscopic analysis and by X-ray phase-shift analysis.
Представлены результаты исследований повреждений в чистом вольфраме и вольфраме, легированном дисперсными, оксидами под воздействием плотной плазмы. Эксперименты были проведены на установках плазменный фокус ПФ-12 и ПФ-1000 в дейтериевой плазме с плотностью мощности 10⁶…10¹² W/cm². Морфология поверхностей мишеней, облученных плазменными потоками, была исследована с помощью сканирующего электронного микроскопа и оптического микроскопа. На поверхности материала были обнаружены различные дефекты, такие как расплавленный слой, волнообразные структуры, сеть микротрещин, брызги, кратеры, наплывы и поры. Оба материала до и после облучения также исследовались с помощью рентгеноспектрального и рентгеновского фазового анализов.
Представлені результати досліджень пошкоджень у чистому вольфрамі та вольфрамі, легованому дисперсними, оксидами під впливом густої плазми. Експерименти були проведені на установках плазмовий фокус ПФ-12 та ПФ-1000 на дейтерієвій плазмі з густиною потужності 10⁶…10¹² W/cm². Морфологія поверхонь мішеней, опромінених плазмовими потоками, була досліджена за допомогою скануючого електронного мікроскопа та оптичного мікроскопа. На поверхні матеріалу були виявлені різні дефекти, такі як розплавлений шар, хвилеподібні структури, сітка мікротріщин, бризки, кратери, напливи і пори. Обидва матеріали до і після опромінення також досліджувалися за допомогою рентгеноспектрального й рентгенівського фазового аналізів.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:02:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
232 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82)
ESTIMATION OF TUNGSTEN AND ODS TUNGSTEN DAMAGES AFTER
DENSE PLASMA EXPOSURE IN PF-12 AND PF-1000
V.Shirokova1, T.Laas1, J.Priimets1, E.V.Demina2, M.D.Prusakova2, M.Sholtz3
1Institute of Mathematics and Natural Sciences, Tallinn University, Estonia;
2A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Sciences, Moscow, Russia;
3Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion, Warsaw, Poland
E-mail: veroonika.pelohh@gmail.com
The paper presents experimental investigations of damages in pure tungsten and ODS (oxide dispersed
strengthened) tungsten under dense plasma shots. The experiments were performed with plasma focus devices PF-12
and PF-1000 with a power flux density of 106…1012 W/cm2 using deuterium. The surface morphology of the targets
exposed to plasma streams is analyzed using electron and optical microscopy. Due to the plasma effect, different
surface structures, such as wave-like structures, a melted layer, a mesh of microcracks, droplets, craters, crevices and
holes appear. Both the original and irradiated samples were investigated by local X-ray spectroscopic analysis and by
X-ray phase-shift analysis.
PACS. 52.40.Hf
INTRODUCTION
At present the construction and planning of a number
of large fusion facilities (ITER, NIF, LMJ) based on
different plasma confinement principles is under way.
Thus it is necessary to contribute to the knowledge-based
understanding of the performance and adequacy of pure
tungsten (different grades), beryllium, CFC (carbon fiber
composite) under extreme energy and particle loads [1,2].
ODS tungsten strengthened by different metal oxides
such as Y2O3, CeO2, ZrO2, ThO2 (in this study, by La2O3)
may be a suitable candidate for divertor targets of
thermonuclear reactors [3]. Interest in these materials can
lead to new ways of improvement of the mechanical
properties of the materials. Therefore, it is of importance
to analyze different tungsten grades and alloys under
various irradiation conditions. In our research, plasma
focus devices enabling different regimes of irradiation are
used as high energy plasma and radiation generators.
1. EXPERIMENTAL DEVICE
Samples of tungsten and tungsten doped with 1% of
La2O3 (WL10) have been exposed to a varying number of
pulses of deuterium plasma streams produced by plasma
focus devices PF-12 and PF-1000 [4,5]. In PF-12 the
distance from the anode was 3.5 – 10.5 cm, while the
power flux density was about 5·108, 5·107, 5·106 W/cm2.
The energy of fast ions was about 100 keV and the slow
plasma 0.1…10 keV. Pulse duration of the distance of
3.5 cm was 200 ns and at 10.5 cm is 0.1 ms (secondary
plasma with an energy of a few eV). In PF-1000 the
distance from the anode was 7.5 cm, the power flux
density was about 1012 W/cm2 and the pulse duration was
200 ns.
The target samples (manufactured in PLANSEE) were
prepared using methods of powder metallurgy including
tungsten restoration from WO3-x oxide, isostatic pressing,
sintering and rolling. The lanthanum oxide particles were
finely distributed. The 20x20 mm W and WL10 samples
were 2 and 4 mm thick, respectively.
2. EXPERIMENTAL RESULTS
The surfaces of irradiated specimens were investigated
by using scanning electron microscopy (SEM) and optical
microscopy (Fig.1 and Fig.2). After plasma processing
surface and volume defects can be found on the materials.
On the samples surface there are relief changes, which
allow to estimate and characterize the defects density on
the surface layer.
Analysis shows that all samples are covered with a
melted layer, a mesh of microcracks and bubbles. On
some materials a smoothing of the surface has occurred as
a result of a long exposure to plasma. The duration of
such influence can reach tens or, maybe, hundreds of
microseconds.
a b a b
Fig. 1. SEM views of exposed W (a) and WL10 (b) surface Fig. 2. SEM views of exposed W (a) and WL10 (b)
after 2 PF-12 plasma pulses of a power flux density of surfaces after 2 PF-1000 plasma pulses of a power flux
500 MW/cm2 density of 1012W/cm.2
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 233
From the images of cross-sections (Fig. 3) it can be
seen that the melted layer is about 5 µm thick. The
exposure of a dense plasma flux, which is considered as a
continuous medium, leads to the development of waves
on the melted surface. The mesh of cracks that appears on
the surface is caused by crystallization of the melted layer
by fast cooling. As lanthanum doping lowers the melting
temperature, melting bubbles appear on the materials.
Atomization of the surface continues until the alloy’s
melting temperature is reached.
Fig. 3,a,b present etched cross-section of samples.
One can see the rolling layers, while the section has been
made perpendicular to the rolling direction. The second
phase (see Fig. 3,b) involves strokes elongated along the
rolling direction.
a
b
Fig. 3. Cross-sections of irradiated etched W (a) and
WL10 (b)
The lanthanum doping changes the picture of the
defects developed on the surface. This fact is confirmed
by local X-ray spectroscopic analysis and X-ray phase-
shift analysis. The X-ray diffractograms were made in
Moscow A. A. Baikov Institute by a Dron-6 device using
CuKα radiation. Analysis shows second phase particles,
which play a major role in the cracks formation and
development. The phases data for both materials are
presented in Table.
The results of W and WL10 X-ray phase-shift analysis
Condition of
alloy
Second phases
in W
Second phases in
WL10
Non-irradiated
sample
W-99%; W3O-
1%
W3O; WO3; La2O3;
La2W1,25O6,75;
La2O3.3WO3
Irradiated sample
after irradiation
with 2 deuterium
plasma shots,
q=1012 W/cm2
W-98%; W3O-
1%; WO3-1%
W3O; La2O3;
La2WO6;
La2O3.3WO3
Thus in the composite alloy there are second phase
particles, which are situated close to each other, having
their own physical, chemical and mechanical properties
and influence on the material behavior. The X-ray
diffraction results show that non-irradiated samples have
a rolling texture in the (200) direction, which is absent in
the surface melted layer of the irradiated samples (see
Fig. 4). On the samples of pure tungsten such texture is
not found.
a
b
Fig. 4. SEM view of the WL10 original sample (a) and
WL10 exposed sample (b)
The analysis shows a decrease of the tungsten lattice
parameter and the volume of the elementary cell in the
alloy after irradiation, which may be associated with the
interstitial atoms withdrawal (N, H, O).
In the (200) direction on the diffractogram the
maximum possible relative uncertainty of the peak
intensity and position is 0.3 with the 95% confidence
level. On this basis it can be confirmed that the change of
the lattice parameter is in this range. With more accurate
measurements the change of this parameter can be more
significant, because the intensity of the other lines does
not change.
The solubility of interstitial impurities in tungsten is
negligible even at tungsten melting temperature [6].
Possibly the openings for exit occur in the second phases
on the surface layer, over which the burst of melted
material and bursting expansion appear (see Fig. 5).
a b
Fig. 5. The irradiated surface of WL10 in different
resolutions demonstrating the impurity influence on
material damages after dense plasma shots
234 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82)
CONCLUSIONS
Irradiation of pure tungsten and WL10 composite
alloy with high-temperature plasma produces surface
melting. The melted layer is 5 μm thick, which leads to
defective structure formation. The content of dispersive
oxides leads to expansion of the material (the expansion
may be greater than in the case of pure tungsten) and, in
cooling time, to generation of cracks. According to our
results, the changes of WL10 caused by a power flux
density of 1012 W/cm2 during 200 ns of plasma-material
interaction are similar to those found by Klimov et al [7],
who used a weaker power flux density but longer
interaction. This indicates that the given type of damages
are universally important, no matter what the power flux
density or duration of interaction, if only the power flux
density overpasses a certain threshold value.
ACKNOWLEDGEMENTS
This work was supported by the Ministry of Education
and Research of Estonia under Grant No. SF0130010s12,
Estonian Science Foundation Grant No. 9005,
International Atomic Energy Agency Grants No. 16931,
16960, the European Union through the European
Regional Development Fund (Centre of Excellence
„Mesosystems: Theory and Applications“, TK114), and
by European Social Fund’s Doctoral Studies and
Internationalisation Programme DoRa.
REFERENCES
1. G.F. Matthews, et al. Overview of the ITER-like wall
project // Phys. Scr. 2007. v. 128, p. 137.
2. V.A. Makhlaj, I.E. Garkusha, et al. Residual stresses in
tungsten under exposures with ITER ELM-like plasma
loads //Phys. Scr. 2009, v. 138, 014060.
3. M.A. Yar et al.// J.Nucl. Mater. 2011. v. 408, p.129–
135.
4. V. Shirokova, T. Laas, et al. Sensitivity of tungsten and
tungsten doped with La2O3 to deuterium plasma
processing/8th International Conference of DAAAM
Baltic, INDUSTRIAL ENGINEERING, 19-21 April 2012,
Tallinn, Estonia. Tallinn University of Technology:
Tallinn University of Technology, 2012, p.729 - 734.
5. M. Sholtz et al.// Nukleonika. 2002. v. 45, p.155-158.
6. E.M. Savitskiy, K.B. Povarova, P.V. Makarov.
Metallovedenie volframa. Moskva: "Metallurgia", 1978.
7. N. Klimov et al.// J.Nucl. Mater. 2009. v. 390-391,
p. 721–726.
Article received 20.09.12
ОЦЕНКА ПОВРЕЖДЕНИЙ ВОЛЬФРАМА И ODS ВОЛЬФРАМА ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПЛОТНОЙ
ДЕЙТЕРИЕВОЙ ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКАХ ПФ-12 И ПФ-1000
В. Широкова, Т. Лаас, Я. Прииметс, Е.В. Демина, М.Д. Прусакова, М. Шольц
Представлены результаты исследований повреждений в чистом вольфраме и вольфраме, легированном
дисперсными, оксидами под воздействием плотной плазмы. Эксперименты были проведены на установках
плазменный фокус ПФ-12 и ПФ-1000 в дейтериевой плазме с плотностью мощности 106…1012 W/cm2.
Морфология поверхностей мишеней, облученных плазменными потоками, была исследована с помощью
сканирующего электронного микроскопа и оптического микроскопа. На поверхности материала были
обнаружены различные дефекты, такие как расплавленный слой, волнообразные структуры, сеть микротрещин,
брызги, кратеры, наплывы и поры. Оба материала до и после облучения также исследовались с помощью
рентгеноспектрального и рентгеновского фазового анализов.
ОЦІНКА УШКОДЖЕНЬ ВОЛЬФРАМУ І ODS ВОЛЬФРАМУ ПІСЛЯ ВПЛИВУ ГУСТОЇ ДЕЙТЕРІЄВОЇ
ПЛАЗМИ НА УСТАНОВКАХ ПФ-12 ТА ПФ-1000
В. Широкова, Т. Лаас, Я. Прійметс, Є.В. Дьоміна, М.Д. Прусакова, М. Шольц
Представлені результати досліджень пошкоджень у чистому вольфрамі та вольфрамі, легованому
дисперсними, оксидами під впливом густої плазми. Експерименти були проведені на установках плазмовий
фокус ПФ-12 та ПФ-1000 на дейтерієвій плазмі з густиною потужності 106…1012 W/cm2. Морфологія поверхонь
мішеней, опромінених плазмовими потоками, була досліджена за допомогою скануючого електронного
мікроскопа та оптичного мікроскопа. На поверхні матеріалу були виявлені різні дефекти, такі як розплавлений
шар, хвилеподібні структури, сітка мікротріщин, бризки, кратери, напливи і пори. Обидва матеріали до і після
опромінення також досліджувалися за допомогою рентгеноспектрального й рентгенівського фазового аналізів.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109196 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T18:02:40Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Shirokova, V. Laas, T. Priimets, J. Demina, E.V. Prusakova, M.D. Sholtz, M. 2016-11-21T19:31:46Z 2016-11-21T19:31:46Z 2012 Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 / V. Shirokova, T. Laas, J. Priimets, E.V. Demina, M.D. Prusakova, M. Sholtz // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 232-234. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. 1562-6016 PACS. 52.40.Hf https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109196 The paper presents experimental investigations of damages in pure tungsten and ODS (oxide dispersed strengthened) tungsten under dense plasma shots. The experiments were performed with plasma focus devices PF-12 and PF-1000 with a power flux density of 10⁶…10¹² W/cm² using deuterium. The surface morphology of the targets exposed to plasma streams is analyzed using electron and optical microscopy. Due to the plasma effect, different surface structures, such as wave-like structures, a melted layer, a mesh of microcracks, droplets, craters, crevices and holes appear. Both the original and irradiated samples were investigated by local X-ray spectroscopic analysis and by X-ray phase-shift analysis. Представлены результаты исследований повреждений в чистом вольфраме и вольфраме, легированном дисперсными, оксидами под воздействием плотной плазмы. Эксперименты были проведены на установках плазменный фокус ПФ-12 и ПФ-1000 в дейтериевой плазме с плотностью мощности 10⁶…10¹² W/cm². Морфология поверхностей мишеней, облученных плазменными потоками, была исследована с помощью сканирующего электронного микроскопа и оптического микроскопа. На поверхности материала были обнаружены различные дефекты, такие как расплавленный слой, волнообразные структуры, сеть микротрещин, брызги, кратеры, наплывы и поры. Оба материала до и после облучения также исследовались с помощью рентгеноспектрального и рентгеновского фазового анализов. Представлені результати досліджень пошкоджень у чистому вольфрамі та вольфрамі, легованому дисперсними, оксидами під впливом густої плазми. Експерименти були проведені на установках плазмовий фокус ПФ-12 та ПФ-1000 на дейтерієвій плазмі з густиною потужності 10⁶…10¹² W/cm². Морфологія поверхонь мішеней, опромінених плазмовими потоками, була досліджена за допомогою скануючого електронного мікроскопа та оптичного мікроскопа. На поверхні матеріалу були виявлені різні дефекти, такі як розплавлений шар, хвилеподібні структури, сітка мікротріщин, бризки, кратери, напливи і пори. Обидва матеріали до і після опромінення також досліджувалися за допомогою рентгеноспектрального й рентгенівського фазового аналізів. This work was supported by the Ministry of Education
 and Research of Estonia under Grant No. SF0130010s12,
 Estonian Science Foundation Grant No. 9005,
 International Atomic Energy Agency Grants No. 16931,
 16960, the European Union through the European
 Regional Development Fund (Centre of Excellence
 „Mesosystems: Theory and Applications“, TK114), and
 by European Social Fund’s Doctoral Studies and
 Internationalisation Programme DoRa. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Низкотемпературная плазма и плазменные технологии Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 Оценка повреждений вольфрама и ODS вольфрама после воздействия плотной дейтериевой плазмы на установках ПФ-12 и ПФ-1000 Оцінка ушкоджень вольфраму і ODS вольфраму після впливу густої дейтерієвої плазми на установках ПФ-12 та ПФ-1000 Article published earlier |
| spellingShingle | Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 Shirokova, V. Laas, T. Priimets, J. Demina, E.V. Prusakova, M.D. Sholtz, M. Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| title | Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 |
| title_alt | Оценка повреждений вольфрама и ODS вольфрама после воздействия плотной дейтериевой плазмы на установках ПФ-12 и ПФ-1000 Оцінка ушкоджень вольфраму і ODS вольфраму після впливу густої дейтерієвої плазми на установках ПФ-12 та ПФ-1000 |
| title_full | Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 |
| title_fullStr | Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 |
| title_full_unstemmed | Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 |
| title_short | Estimation of tungsten and ODS tungsten damages after dense plasma exposure in PF-12 and PF-1000 |
| title_sort | estimation of tungsten and ods tungsten damages after dense plasma exposure in pf-12 and pf-1000 |
| topic | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| topic_facet | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109196 |
| work_keys_str_mv | AT shirokovav estimationoftungstenandodstungstendamagesafterdenseplasmaexposureinpf12andpf1000 AT laast estimationoftungstenandodstungstendamagesafterdenseplasmaexposureinpf12andpf1000 AT priimetsj estimationoftungstenandodstungstendamagesafterdenseplasmaexposureinpf12andpf1000 AT deminaev estimationoftungstenandodstungstendamagesafterdenseplasmaexposureinpf12andpf1000 AT prusakovamd estimationoftungstenandodstungstendamagesafterdenseplasmaexposureinpf12andpf1000 AT sholtzm estimationoftungstenandodstungstendamagesafterdenseplasmaexposureinpf12andpf1000 AT shirokovav ocenkapovreždeniivolʹframaiodsvolʹframaposlevozdeistviâplotnoideiterievoiplazmynaustanovkahpf12ipf1000 AT laast ocenkapovreždeniivolʹframaiodsvolʹframaposlevozdeistviâplotnoideiterievoiplazmynaustanovkahpf12ipf1000 AT priimetsj ocenkapovreždeniivolʹframaiodsvolʹframaposlevozdeistviâplotnoideiterievoiplazmynaustanovkahpf12ipf1000 AT deminaev ocenkapovreždeniivolʹframaiodsvolʹframaposlevozdeistviâplotnoideiterievoiplazmynaustanovkahpf12ipf1000 AT prusakovamd ocenkapovreždeniivolʹframaiodsvolʹframaposlevozdeistviâplotnoideiterievoiplazmynaustanovkahpf12ipf1000 AT sholtzm ocenkapovreždeniivolʹframaiodsvolʹframaposlevozdeistviâplotnoideiterievoiplazmynaustanovkahpf12ipf1000 AT shirokovav ocínkauškodženʹvolʹframuíodsvolʹframupíslâvplivugustoídeiteríêvoíplazminaustanovkahpf12tapf1000 AT laast ocínkauškodženʹvolʹframuíodsvolʹframupíslâvplivugustoídeiteríêvoíplazminaustanovkahpf12tapf1000 AT priimetsj ocínkauškodženʹvolʹframuíodsvolʹframupíslâvplivugustoídeiteríêvoíplazminaustanovkahpf12tapf1000 AT deminaev ocínkauškodženʹvolʹframuíodsvolʹframupíslâvplivugustoídeiteríêvoíplazminaustanovkahpf12tapf1000 AT prusakovamd ocínkauškodženʹvolʹframuíodsvolʹframupíslâvplivugustoídeiteríêvoíplazminaustanovkahpf12tapf1000 AT sholtzm ocínkauškodženʹvolʹframuíodsvolʹframupíslâvplivugustoídeiteríêvoíplazminaustanovkahpf12tapf1000 |