We performed a direct comparison of deuterium retention and release from tungsten in presence or in absence of oxygen impurities. A single crystal of W(110) was used to prepare tungsten with four different surface states: with its native oxide, atomically clean, covered with half a monolayer of oxygen atoms, and covered with three fourths of a monolayer of oxygen atoms. For a D ion fluence of 3 × 1021 D+ m−2 implanted at 300 K, deuterium retention was highest with the native oxide, lowest with three fourths of a monolayer of oxygen atoms at the surface and intermediate for the clean surface. This counterintuitive result is explained by a different localization of deuterium retention in these samples. For tungsten with its native oxide, deuterium retention occurs solely in the bulk, i.e. below the first atomic plane of the surface. For clean tungsten, deuterium retention occurs in part at the surface and sputtering should play a role. For tungsten with a sub-monolayer surface coverage of oxygen atoms, a transition from surface to bulk retention is observed above half a monolayer of adsorbed oxygen. Striking differences in desorption peak(s) temperature(s) are observed between D ion-implanted samples and D2 molecules-exposed samples. These results highlight the importance of the (near-) surface localization of oxygen and deuterium on the temperature dependence of deuterium desorption rate i.e. on the fusion fuel recycling coefficient.
我々は、酸素不純物の存在下または非存在下でのタングステンからの重水素の保持および放出の直接比較を行った。W(110)の単結晶を用いて、4つの異なる表面状態のタングステンを調製した。すなわち、自然酸化膜を有する状態、原子レベルで清浄な状態、酸素原子の単原子層の半分で被覆された状態、および酸素原子の単原子層の4分の3で被覆された状態である。300 Kで注入された3 × 10^21 D+ m−2のDイオンフルエンスについて、重水素保持量は自然酸化膜を有する場合に最も高く、表面に酸素原子の単原子層の4分の3が存在する場合に最も低く、清浄な表面の場合に中間であった。この直感に反する結果は、これらの試料における重水素保持の局在化の違いによって説明される。自然酸化膜を有するタングステンでは、重水素の保持はもっぱらバルク中、すなわち表面の最初の原子面より下で起こる。清浄なタングステンでは、重水素の保持は一部表面で起こり、スパッタリングが役割を果たすはずである。酸素原子のサブ単原子層被覆を有するタングステンでは、吸着酸素が単原子層の半分を超えると、表面保持からバルク保持への遷移が観察される。Dイオン注入試料とD2分子曝露試料との間で、脱離ピーク温度に顕著な差異が観察される。これらの結果は、酸素および重水素の表面（または表面近傍）における局在化が、重水素脱離速度の温度依存性、すなわち核融合燃料リサイクリング係数に対して重要であることを浮き彫りにしている。