Recrystallisation has been identified as a critical issue for the ITER divertor but currently the synergistic effects of heat and particle bombardment on tungsten recrystallisation are still unclear. In this study, tungsten was exposed to helium plasma under a range of sample temperatures (573 K–1073 K) and ion fluences (1024–1025 m−2) followed by annealing at a range of temperatures (1373 K–1673 K). It is quantitatively found that larger helium nano-bubbles form at higher sample temperatures during plasma exposure due to increased nano-bubble mobility and coalescence. The retardation of recrystallisation showed the opposite trend, with less recrystallisation occurring in samples exposed at lower temperatures and with smaller nano-bubbles. This result is attributed to the Zener drag force from the helium nano-bubbles opposing grain boundary movements during annealing with the effect of the force being inversely proportional to bubble size. Ion fluence is not found to affect the extent of recrystallisation at any temperature. The presence of the sub-surface helium nano-bubbles increased the microstrain in the tungsten which was eliminated during subsequent annealing as a clear sign of the recovery stage proceeding.
再結晶はITERにとって重要な問題として特定されているが、タングステンの再結晶に対する熱と粒子衝撃の相乗効果は依然として不明である。本研究では、タングステンを試料温度573 K〜1073 K、イオンフルエンス10²⁴〜10²⁵ m⁻²の範囲でヘリウムプラズマに曝露し、その後1373 K〜1673 Kの範囲で焼鈍を行った。その結果、プラズマ曝露中の試料温度が高いほど、ナノバブルの移動度と合体の増加により、より大きなヘリウムナノバブルが形成されることが定量的に明らかになった。再結晶の抑制は逆の傾向を示し、より低い温度で曝露され、より小さなナノバブルを有する試料ほど再結晶が少なかった。この結果は、焼鈍中の粒界移動を妨げるヘリウムナノバブルによるゼナー抗力に起因し、その抗力はバブルサイズに反比例する。イオンフルエンスは、いずれの温度においても再結晶の程度に影響を及ぼさないことが判明した。表面下のヘリウムナノバブルの存在はタングステンのマイクロひずみを増加させたが、これはその後の焼鈍中に回復段階が進行する明確な兆候として消失した。