Recently, plasma-facing components based on liquid metals were proposed for a prospective nuclear fusion reactor in order to circumvent challenges that occur for solid metal components, such as erosion lifetime, neutron embrittlement or transient overloading. One candidate material is liquid tin. We present a systematic study of the behavior of solid and liquid tin exposed to a low-temperature deuterium plasma at temperatures between 300 and 515 K, focusing on deuterium retention and thermal release as well as on tin erosion and re-deposition. We find strong variations of deuterium depth profiles, deuterium release spectra, and tin erosion rates, which are correlated to dramatic changes in the surface morphology. In particular, we find evidence for massive gas bubble formation in tin, which can lead to the evolution of a thick, sponge-like layer for tin exposed to deuterium plasma just below the melting point, and to the rapid formation of a macroscopic gas pocket below liquid tin. We present evidence for strongly temperature-dependent chemical erosion of tin by deuterium plasma in the solid state. In the liquid state, a high tin erosion rate occurs, which is apparently induced by ejection of tin microdroplets. Furthermore, we observed strong plasma-assisted, low-temperature wetting of tin on tungsten near the melting point of tin. We tentatively propose the hypothesis that all of the observed effects may be influenced by tin-deuterium chemistry, e.g. the formation and de-composition of stannane molecules.
近年、液体金属に基づくプラズマ対向機器が、将来の核融合炉のために提案されており、固体金属部品に生じるエロージョン寿命、中性子脆化、または過渡的過負荷などの課題を回避することを目的としている。候補材料の一つが液体スズである。我々は、300〜515 Kの温度範囲で低温度重水素プラズマに曝された固体および液体スズの挙動について、重水素保持と熱放出、ならびにスズのエロージョンと再堆積に焦点を当てた系統的研究を提示する。重水素の深さ分布、重水素放出スペクトル、およびスズのエロージョン速度に大きな変動が見られ、これらは表面形態の劇的な変化と相関している。特に、スズにおける大規模なガスバブル形成の証拠が見られ、融点直下で重水素プラズマに曝されたスズでは厚いスポンジ状層の形成につながり、液体スズの下では巨視的なガスポケットの急速な形成につながる。固体状態では、重水素プラズマによるスズの化学的エロージョンが温度に強く依存する証拠を提示する。液体状態では、スズの微細滴の放出によって引き起こされると見られる高いスズエロージョン速度が生じる。さらに、スズの融点付近で、タングステン上のスズの強いプラズマ支援低温濡れを観察した。観察されたすべての効果は、スタナン分子の形成と分解などのスズ-重水素化学に影響される可能性があるという仮説を暫定的に提案する。