Effect of irradiation and deuterium behavior in Li-based tritium breeding ceramics

Abstract

The behavior of implanted deuterium in advanced lithium orthosilicate (Li₄SiO₄) pellets with addition of lithium metatitanate (Li₂TiO₃), and in reference Li₄SiO₄ pellets, has been investigated. Thermal desorption (TD) spectroscopy was used to study the deuterium interaction with radiation defects in materials. Computational evaluation of deuterium desorption within the framework of the diffusion-trapping model allowed to associate characteristics of experimental TD spectra with specific trapping sites in the material. It was found that deuterium desorption is limited mainly by intragranular diffusion of deuterium and its trapping by radiation defects associated with Li-vacancy traps. Deuterium gas release from both ceramics demonstrated similar trend indicating weak dependence of deuterium trapping behavior on phase composition. The change of the morphology and elemental composition of the pellets surface has been analyzed. SEM examination indicated that ion irradiation and subsequent thermal desorption annealing of two-phase ceramics leads to an increase in surface destruction processes.

Досліджено поведінку імплантованого дейтерію у вдосконалених таблетках ортосилікату літію (Li₄SiO₄) з добавками метатитанату літію (Li₂TiO₃), а також у еталонних таблетках Li₄SiO₄ без добавок. Методом термодесорбційної (ТД) спектроскопії вивчено взаємодію дейтерію з радіаційними дефектами у матеріалах. Розрахункова оцінка десорбції дейтерію в межах моделі дифузійного захоплення дозволила пов’язати характеристики експериментальних ТД-спектрів з конкретними місцями захоплення в матеріалі. Встановлено, що десорбція дейтерію лімітується переважно внутрішньозеренною дифузією дейтерію та його захопленням радіаційними дефектами, пов’язаними з пастками типу вакансій Li. Виділення газоподібного дейтерію з обох керамік показує схожу тенденцію, що свідчить про слабку залежність захоплення дейтерію від фазового складу. Проаналізовано зміну морфології та елементного складу поверхні таблеток. SEM- дослідження показали, що іонне опромінення та подальший ТД-відпал двофазної кераміки призводить до посилення процесів руйнування поверхні.

Исследовано поведение имплантированного дейтерия в усовершенствованных таблетках ортосиликата лития (Li₄SiO₄) с добавками метатитаната лития (Li₂TiO₃), а также в эталонных таблетках Li₄SiO₄ без добавок. Методом термодесорбционной (ТД) спектроскопии изучено взаимодействие дейтерия с радиационными дефектами в материалах. Расчетная оценка десорбции дейтерия в рамках модели диффузионного захвата позволила связать характеристики экспериментальных ТД-спектров с конкретными местами захвата в материале. Установлено, что десорбция дейтерия лимитируется в основном внутризеренной диффузией дейтерия и его захватом радиационными дефектами, связанными с ловушками типа вакансий Li. Выделение газообразного дейтерия из обеих керамик демонстрирует схожую тенденцию, что указывает на слабую зависимость захвата дейтерия от фазового состава. Проанализировано изменение морфологии и элементного состава поверхности таблеток. SEM-исследования показали, что ионное облучение и последующий ТД-отжиг двухфазной керамики приводит к усилению процессов разрушения поверхности.