Retention and features of deuterium detrapping from radiation-induced damages in steels

Abstract

The accelerators and ion-beam analysis techniques are used for simulation of displacement damage and detailed investigation of distribution profiles of damage and impurity gas atoms (especially helium and hydrogen) in the irradiation of targets for a wide ranges of doses and particle energies. The influence of preimplanted helium and heavy ion-induced damage on deuterium trapping in austenitic and ferritic/martensitic steels was studied. The results obtained for 18Cr10NiTi stainless steel show that ion-implanted deuterium is weakly trapped by defects produced in 5 keV D+ displacement cascades. The effective trapping temperature interval is between 300 and 600 К. The characteristics of trapping and the temperature range of hydrogen isotopes retention in traps formed by prior implantation of helium depend on the concentration of implanted helium and on the type of defects developed. The formation of helium bubbles in 18Cr10NiTi steel causes an order of magnitude increase in the content of retained deuterium atoms in the range of temperature 300-600 K and extends the interval of effective trapping temperatures to 1000 K. Energetic heavy-ion irradiation (1.4 MeV Ar+ ) has been used for modeling defect cluster formation under displacement cascade conditions to simulate fusion reactor environments. It was found that retention of hydrogen and deuterium strongly increased in this case. It is shown that the presence of a surface-passive film considerably shifts the gas release interval to higher temperatures and reduces the deuterium surface recombination coefficient by several orders of magnitude.

Моделювання дефектів зміщення і дослідження профілів розподілу пошкоджень і домішкових газових атомів (зокрема, гелію та водню) у мішенях в широкому діапазоні доз і енергій частинок, що імплантуються, виконані з використанням прискорювачів і ядерно- фізичних методів аналізу. Вивчений вплив попередньої імплантації гелію і створення пошкоджень, індукованих імплантацією важких іонів, на захоплення дейтерію в аустенітних і феритно-мартенситних сталях. Результати, отримані для сталі Х18Н10Т, показують, що іонно-імплантований дейтерій слабо зв'язується дефектами, які виникають внаслідок опромінення сталі низькоенергетичними іонами D+ . Температурний інтервал утримання газу в цьому випадку становить 300-600 К. Характеристики захоплення і температурні інтервали утримання водню пастками, утвореними при попередній імплантації гелію, залежать від концентрації прониклого гелію і типу пасток, що виникають. Утворення гелієвих бульбашок в сталі Х18Н10Т призводить до збільшення на порядок кількості дейтерію, що утримується в інтервалі температур 300-600 К, а також до розширення інтервалу його ефективного захоплення до 1000 К. Опромінювання високоенергетичними важкими іонами (1.4 MеВ Ar+ ) використовували для моделювання кластерів дефектів, які утворюються в каскадах зіткнень і є характерними для термоядерних реакторів. В цьому випадку було виявлено значне збільшення утримання водню і дейтерію. Показано, що присутність поверхневої пасивуючої плівки значно переміщує інтервал виходу газу у бік високих температур і зменшує коефіцієнт поверхневої рекомбінації дейтерію на декілька порядків величини.

Моделирование дефектов смещения и исследование профилей распределения повреждений и примесных газовых атомов (в частности, гелия и водорода) в мишенях в широком диапазоне доз и энергий имплантируемых частиц выполнены с использованием ускорителей и ядерно-физических методов анализа. Изучено влияние предварительной имплантации гелия и создания повреждений, индуцированных имплантацией тяжелых ионов, на захват дейтерия в аустенитных и ферритно-мартенситных сталях. Результаты, полученные для стали Х18Н10Т, показывают, что ионно-имплантированный дейтерий слабо связывается дефектами, возникающими вследствие облучения стали низкоэнергетическими ионами D+ . Температурный интервал удержания газа в этом случае 40 составляет 300-600 К. Характеристики захвата и температурные интервалы удержания водорода ловушками, образованными при предварительной имплантации гелия, зависят от концентрации внедренного гелия и типа возникающих ловушек. Образование гелиевых пузырьков в стали Х18Н10Т приводит к увеличению на порядок количества дейтерия, удерживаемого в интервале температур 300-600 К, а также к расширению интервала его эффективного захвата до 1000 К. Облучение высокоэнергетичными тяжелыми ионами (1.4 MэВ Ar+ ) использовали для моделирования образующихся в каскадах столкновений кластеров дефектов, характерных для термоядерных реакторов. В этом случае было обнаружено значительное увеличение удержания водорода и дейтерия. Показано, что присутствие поверхностной пассивационной пленки значительно смещает интервал выхода газа в сторону высоких температур и уменьшает коэффициент поверхностной рекомбинации дейтерия на несколько порядков величины.