Experimental and computational studies of the influence of grain boundaries and temperature on the radiation-induced damage and hydrogen behavior in tungsten

Abstract

We study the influence of grain boundaries (GBs) on radiation-induced vacancies, as well as on the hydrogen (H) behavior in tungsten (W) samples with different grain sizes in the temperature range from 300 K to 573 K, both experimentally and by computer simulations. For this purpose, coarse-grained and nanostructured W samples were sequentially irradiated with carbon (C) and H ions at energies of 665 keV and 170 keV, respectively. A first set of the implanted samples was annealed at 473 K and a second set at 573 K. Object kinetic Monte Carlo simulations were performed to account for experimental outcomes. Results show that the number of vacancies for nanostructured W is always larger than for monocrystalline W samples in the whole studied temperature range and that the number of vacancies is only reduced in samples with a large density of grain boundaries and at temperatures high enough to activate the vacancy motion (around 573 K). Results also indicate that the migration of H along vacancy free grain boundaries is more effective than along the bulk, and that the retained H is trapped in vacancies located within the grains. These results are used to explain the experimental outcomes.

Interaction of radiation-induced defects with tungsten grain boundaries at across scales: a short review

“…rhenium (Re) and osmium (Os) are all produced under the real irradiation conditions. These elements can significantly affect the microstructure evolution of defects and complicate the defect-GB interaction processes/mechanisms described here [46][47][48][49][50][51][52][53][54][55]. First-principles calculations by Zhou et al [46] suggest that it is energetically and kinetically favorable for the W GB of Σ5(3 1 0)/[0 0 1] to trap H coming from the bulk.…”

“…Consequently, the segregation of the SIA n may be suppressed to a certain extent by H, which may enhance the annihilation of bulk SIA n -V. H/He also prefers to bind with the V and small V n to form stable complexes [48], which may hinder the segregation of the V. Furthermore, the interplay among the SIA n and H/He as well as the V within the GB can inevitably affect the healing efficiency of the mechanism reviewed in the present paper. Panizo-Laiz et al [51] studied the effect Fig. 12 a Energy barriers (E a ) for the single SIA and SIA 2 migration along the GBs and SIA-SIA binding energy (E b ) at different GBs; b SIA-V recombination process near the GB via the SIA migration within the GB and the IE revealed by the MD simulations at 1000 K. Here, the SIA and V are respectively denoted by the green sphere and red filled square.…”

Progress and opportunities for inertial fusion energy in Europe

“…Much more promising properties are demonstrated by a nano-structured tungsten. Its performance has been studied with multi-scale numerical simulations and experiments showing that neutron-induced vacancies are readily attached to the grain boundaries and effectively annealed with interstitials at temperatures about 600 K [31,32].…”

Especies ligeras en materiales de interés para aplicaciones energéticas

“…Sin embargo, las condiciones de operación (típicamente, de flujos de partículas superiores a 10 19 cm -2 s -1 ) suponen todo un reto para la aplicación de este material, tanto por consideraciones termomecánicas [30] como atomísticas, siendo estas últimas de mayor relevancia al ser responsables de una miríada de efectos perjudiciales, como agrietamiento, hinchamiento, exfoliación, y, bajo ciertas condiciones, el crecimiento de nanoestructuras superficiales de baja densidad conocidas globalmente como "fuzz" [31][32][33][34][35][36]. Estos efectos atomísticos tienen su origen en la nucleación de especies ligeras, productos de la reacción de fusión (tales como hidrógeno, deuterio, tritio y helio) en defectos puntuales, capaces de erosionar la superficie del PFM, o de implantarse en su seno, donde tienden a nuclear en otros defectos [29,31,[37][38][39][40]. El ejemplo más paradigmático de este tipo de procesos tiene lugar ante irradiación con He, dada la baja solubilidad de esta especie en W y su elevada energía de enlace a vacantes y defectos similares [41], a lo que se suma la formación de agregados de átomos de He, un fenómeno termodinámicamente favorable y posible en W gracias a su elevada movilidad [42].…”

“…Siguiendo este planteamiento, una de las posibles estrategias para mitigar el daño sufrido por el W en su labor como PFM consiste en el empleo de estructuras de W con una elevada densidad de fronteras de grano (GBs) que pueden actuar como sumideros o caminos preferentes para especies ligeras [29,[44][45][46][47]. Aunque se ha observado experimentalmente que existe una relación directa entre la retención de especies ligeras y la densidad de GBs, la explicación a dicho comportamiento dista mucho de conocerse, siendo foco de controversia debido al gran número de variables que influyen en el proceso, como el tipo y la naturaleza de la GB, la orientación de la misma, el ángulo de formación, o la temperatura a la cual tiene lugar el proceso [29,39,46,[48][49][50][51][52][53][54]. A pesar del atractivo de este planteamiento en lo que respecta a la eliminación de defectos propios e isótopos de hidrógeno [29], se ha observado que las GBs no favorecen la liberación de He [55,56], por lo que la retención de esta especie sigue siendo una cuestión pendiente de resolver y obliga a recurrir a soluciones alternativas.…”