Effects of surface processes on hydrogen outgassing during desorption experiments are investigated using a standard reaction–diffusion model describing hydrogen transport, retention and desorption in material. Three mechanisms for hydrogen migration and desorption on material surface are considered: hydrogen migration from material bulk to material surface (readsorption), hydrogen migration from material surface to material bulk (reabsorption) and hydrogen desorption from material surface by molecular recombination. Three hydrogen outgassing regimes are identified: (i) recombination-limited outgassing when hydrogen recombination and desorption is fast compared to hydrogen reabsorption and slow compared to hydrogen transport from material bulk onto material surface (ii) reabsorption-limited outgassing when hydrogen recombination and desorption is slow compared to hydrogen reabsorption and when the effective hydrogen recombination and desorption is slow compared to hydrogen transport from material bulk onto material surface (iii) bulk-limited outgassing otherwise. Regimes of hydrogen outgassing from tungsten and beryllium are estimated for various experimental conditions. Analytical expressions of the outgassing flux are then derived for each outgassing regime, and used to characterize TDS spectra obtained in thermal desorption spectroscopy (TDS) experiments. It is shown that TDS spectra in recombination-limited regime are skewed toward high temperature, while TDS spectra in reabsorption-limited and bulk-limited regimes are skewed toward low temperature. Furthermore, the temperature of the desorption peak in TDS spectra is shown to decrease in recombination-limited regime and to increase in reabsorption-limited and bulk-limited regimes as the total amount of hydrogen stored in material increases. Finally, it is observed that the effective hydrogen recombination rate measured in reabsorption-limited permeation experiments may be not be reliably used to model and predict hydrogen retention and recycling from tungsten during plasma operations in tokamak.
脱離実験中の水素放出に対する表面プロセスの影響を、材料中の水素輸送、保持、脱離を記述する標準的な反応–拡散モデルを用いて調査した。材料表面における水素の移動と脱離の3つのメカニズムを考慮する：材料バルクから材料表面への水素の移動（再吸着）、材料表面から材料バルクへの水素の移動（再吸収）、分子状再結合による材料表面からの水素の脱離である。3つの水素放出レジームが特定される：(i) 水素の再結合と脱離が水素の再吸収と比較して速く、材料バルクから材料表面への水素輸送と比較して遅い場合の再結合律速放出、(ii) 水素の再結合と脱離が水素の再吸収と比較して遅く、かつ実効的な水素の再結合と脱離が材料バルクから材料表面への水素輸送と比較して遅い場合の再吸収律速放出、(iii) その他の場合のバルク律速放出。様々な実験条件について、タングステンとベリリウムからの水素放出のレジームを推定した。次に、各放出レジームについて放出フラックスの解析式を導出し、昇温脱離分光法（TDS）実験で得られたTDSスペクトルの特性評価に用いた。再結合律速レジームのTDSスペクトルは高温側に裾を引くのに対し、再吸収律速およびバルク律速レジームのTDSスペクトルは低温側に裾を引くことが示された。さらに、材料中に蓄積された水素の総量が増加するにつれて、TDSスペクトルの脱離ピーク温度は、再結合律速レジームでは低下し、再吸収律速およびバルク律速レジームでは上昇することが示された。最後に、再吸収律速透過実験で測定された実効水素再結合速度は、トカマクにおけるプラズマ運転中のタングステンからの水素の保持とリサイクリングをモデル化・予測するために信頼性高く使用できない可能性があることが観察された。