We report a systematic study that quantifies nitrogen retention and ammonia production on tungsten and that sheds light on the mechanism for ammonia formation on ITER's divertor material. Saturation of the nitrogen-implanted layer in polycrystalline tungsten is observed at room temperature for a nitrogen ion fluence in the low 1021 N+ m−2 range. Nitrogen desorption from this N-implanted layer occurs in the 800–1100 K temperature range and exhibits a zero-order kinetics with an activation energy of 1.45 eV and a prefactor of 5 × 1024 m−2 s−1. Following nitrogen and deuterium co-implantation, deuterated ammonia production is observed during temperature programmed desorption between 350 K and 650 K in conjunction with deuterium desorption. In contrast, nitrogen desorption still occurs above 800 K. Significant production of ammonia is obtained only when the nitrogen layer created by ion implantation is approaching saturation and the amount of nitrogen lost to ammonia production is only in the percent range. This result is understood by repeating cycles of deuterium implantation and thermo-desorption below the desorption temperature of the nitrogen layer. The exponential decay of the amount of produced ammonia with cycle number demonstrates that nitrogen diffusion to the surface is negligible in the ammonia production temperature range and that ammonia formation occurs at the outermost surface layer. The maximum quantity of ammonia produced from the present N implanted layer is below 2 × 1018 ND3 m−2, which is limited by the nitrogen atom surface density. Surface vibrational spectroscopy demonstrates the presence of ammonia precursors on the nitrogen-implanted tungsten surface upon deuterium implantation. These ammonia precursors can be created also at room temperature through the dissociative chemisorption of thermal D2 catalysed by nitrogen present at the tungsten surface and, more efficiently, by adsorption of deuterium atoms.
我々は、タングステン上での窒素保持とアンモニア生成を定量化し、ITERのダイバータ材料上でのアンモニア形成機構を解明する体系的研究を報告する。多結晶タングステン中の窒素注入層の飽和は、室温において、1021 N+ m−2台の低い窒素イオンフルエンスで観察される。この窒素注入層からの窒素脱離は、800〜1100 Kの温度範囲で発生し、1.45 eVの活性化エネルギーと5 × 1024 m−2 s−1の頻度因子を持つ0次反応速度を示す。窒素と重水素の同時注入後、重水素化アンモニアの生成が、重水素脱離と併せて、350 Kから650 Kの間の昇温脱離中に観察される。対照的に、窒素脱離は依然として800 K以上で発生する。有意なアンモニア生成が得られるのは、イオン注入によって形成された窒素層が飽和に近づいた場合のみであり、アンモニア生成に消費される窒素の量はわずか数パーセントに留まる。この結果は、窒素層の脱離温度以下での重水素注入と熱脱離のサイクルを繰り返すことで理解される。生成されるアンモニア量のサイクル数に対する指数関数的減衰は、アンモニア生成温度範囲において窒素の表面への拡散が無視できること、およびアンモニア形成が最表面層で発生することを示している。本窒素注入層から生成されるアンモニアの最大量は2 × 1018 ND3 m−2未満であり、これは窒素原子の表面密度によって制限される。表面振動分光法により、重水素注入時の窒素注入タングステン表面上でのアンモニア前駆体の存在が実証される。これらのアンモニア前駆体は、タングステン表面に存在する窒素によって触媒される熱D2の解離化学吸着を介して、室温でも生成され得るが、重水素原子の吸着により、より効率的に生成される。