The retention of radioactive tritium in the reactor wall is a safety issue and should be kept to a minimum. We investigated the influence of helium, argon, neon and nitrogen as plasma impurities on the deuterium retention in tungsten in the linear plasma devices PSI-2 and PISCES-A. Following mixed plasmas were produced: pure D, D + He, D + Ar, D + Ne, D + N and D + He + Ar, with impurity fractions between 3% and 10%. Experiments were performed at tungsten sample temperatures of 500 and 770 K. The incident ion energy was 70 eV, above the tungsten sputtering threshold for argon and nitrogen, but below it for deuterium and helium. For neon, in addition, it was varied between 20 and 70 eV, below and above the tungsten sputtering threshold, respectively. The admixture of helium reduced the deuterium retention by a factor of 3–100, with a stronger reduction at a higher sample temperature. In the D + He + Ar case the retention was similar as for pure D. Argon sputtered the near-surface helium nanobubble layer and thus overrode the effect of helium. The effect of neon is sensitive to the incident ion energy. Addition of nitrogen increased the deuterium retention by a factor of ~10 and ~100 for 500 and 770 K, respectively. In general, the effect of impurities on the deuterium retention appears to be sensitive to the properties of the affected near-surface layer of tungsten. Admixed species, i.e. helium, can form a layer with open porosity, which serves as an additional release channel for deuterium thus decreasing the retention. However, if the process is dominated by sputtering, as for argon, such a layer cannot be formed. The nitrogen enriched layer, in contrast, serves as a desorption barrier for deuterium increasing the retention.
反応器壁におけるトリチウムの保持は安全上の問題であり、最小限に抑えるべきである。我々は、線形プラズマ装置PSI-2およびPISCES-Aにおいて、ヘリウム、アルゴン、ネオン、および窒素をプラズマ不純物として添加した場合の、タングステン中の重水素保持に対する影響を調査した。以下の混合プラズマを生成した：純D、D+He、D+Ar、D+Ne、D+N、およびD+He+Ar（不純物割合は3%から10%）。実験は、タングステン試料温度500Kおよび770Kで実施した。入射イオンエネルギーは70eVであり、これはアルゴンおよび窒素に対するタングステンのスパッタリング閾値より高いが、重水素およびヘリウムに対する閾値よりは低い。さらにネオンについては、入射イオンエネルギーを20eVから70eVの間で変化させ、これはそれぞれタングステンのスパッタリング閾値以下および以上に相当する。ヘリウムの添加により、重水素保持は3倍から100倍減少し、試料温度が高いほど減少の程度は大きかった。D+He+Arの場合、重水素保持は純Dの場合と同様であった。アルゴンは表面近傍のヘリウムナノバブル層をスパッタリングにより除去し、その結果ヘリウムの効果を無効化した。ネオンの効果は入射イオンエネルギーに敏感である。窒素の添加により、重水素保持は500Kで約10倍、770Kで約100倍増加した。一般に、不純物が重水素保持に及ぼす影響は、影響を受けるタングステンの表面近傍層の特性に敏感である。添加種、すなわちヘリウムは、開放多孔質層を形成し得るが、これは重水素の追加の放出経路として機能し、保持を減少させる。しかしながら、アルゴンの場合のようにスパッタリングが支配的である場合、そのような層は形成され得ない。対照的に、窒素富化層は重水素の脱離障壁として機能し、保持を増加させる。