ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ И МАССЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАГРЕТОГО ВОЛЬФРАМА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЫ

В статье представлены результаты экспериментального исследования изменений микротвердости и массы предварительно нагретой вольфрамовой мишени, основного материала-кандидата для первой стенки и дивертора, под воздействием импульсного плазменного потока с длительностью приблизительно 0,2 мс. Эксперименты проводились в виде серии из 13 импульсов при плотности энергии 1,1 МДж/м² и плотности мощности около 5,5 ГВт/м². Микротвердость измерялась с помощью твердомера HVS-1000B; масса мишени до и после воздействия плазмы измерялась с помощью прецизионных весов CPA225D. Показано, что микротвердость вольфрамовой мишени остается практически неизменной даже при максимальной дозе облучения (до 39 импульсов), а наблюдаемое изменение находится в пределах погрешности измерения, что свидетельствует о структурной стабильности поверхностного слоя. При этом зафиксировано увеличение массы мишени (до 31 мг), вероятно, вызванное загрязнением и повторным осаждением материала внешних конструктивных элементов. Анализ методом энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) выявил интенсивные полосы Cu, Zn, Ni и C в частицах пыли, повторно осажденных на поверхности мишени. Результаты показывают, что эти инородные компоненты оказывают существенное влияние на морфологию поверхности и должны учитываться при интерпретации механизмов повреждения вольфрамом.

1. Loarte, A., Pitts, R.A., Wauters, T., Nunes, I., Vries, P. de, Kim, S.H., Köchl, F., Polevoi, A., Lehnen, M., Artola, J. The new ITER baseline, research plan and open R&D issues. Plasma Phys. Control. Fusion, 67, 065023 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6587/add9c9

2. Komm, M., Jaulmes, F., Grover, O., Peterka, M., Seidl, J., Imrisek, M., Saarelma, S., Snyder, P., Sos, M., Caloud, J. COMPASS Upgrade: a high-field tokamak for ITER- and DEMO-relevant research. Nucl. Fusion, 64, 076028 (2024). https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad4569

3. Houry, M., Aumeunier, M-H., Corre, Y., Courtois, X., Mitteau, R., Loarer, TH., Dubus, L., Gauthier, E., Gerardin, J., Gorse, V. Protection of the plasma facing components in the WEST tokamak, progress and development in view of ITER. Nucl. Fusion, 65, 016059 (2025). https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad961b

4. Jain, J., Carrasco, M.F., Moreno, J., Davis, S., Pavez, C., Bora, B., Soto, L. Plasma-induced damage on the tungsten surface using a kilojoule plasma focus device: Applicable to study the damages on nuclear fusion reactor related materials. Phys. Plasmas, 31, 083510 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0211839

5. Gao, B., Ding, R., Xie, H., Zeng, L., Zhang, L., Wang, B., Li, Ch., Zhu, D., Yan, R., Chen, J. Plasmafacing components damage and its effects on plasma performance in EAST tokamak. Fusion Engineering and Design Volume, 156, 111616 (2020). https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.111616

6. Kerkhof, S. Van den, Blommaert, M., Pitts, R.A., Dekeyser, W., Carli, S., Baelmans, M. Impact of ELM mitigation on the ITER monoblock thermal behavior and the tungsten recrystallization depth. Nuclear Materials and Energy, 27, 101009 (2021). https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.101009

7. Guo, Z., Yu, B., Zhu, D., Xuan, Ch., Gao, B., Li, Ch., Ding, R., Chen, J., Du, Ch. Analysis of the transient heat flux on divertor surface during plasma disruption in EAST. Nuclear Materials and Energy, 36, 101503 (2023). https://doi.org/10.1016/j.nme.2023.101503

8. De Temmerman, G., et al. Data on erosion and hydrogen fuel retention in beryllium plasma-facing materials. Nucl. Mater. Energy, 27, 100994 (2021). https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.100994

9. Jepu, I., Widdowson, A., Matthews, G.F., Coad, J.P., Likonen, J., Brezinsek, S., Rubel, M., Pintsuk, G., Petersson, P., Fortuna-Zalesna, E. Overview of damage to beryllium limiters by unmitigated disruptions and runaway electrons in the JET tokamak with metal walls. Nucl. Fusion, 64, 106047 (2024). https://doi.org/10.1088/1741-4326/ad6614

10. Pitts, R.A. Plasma-wall interaction impact of the ITER re-baseline. Nuclear Materials and Energy, 42, 101854 (2025). https://doi.org/10.1016/j.nme.2024.101854

11. Luo, Ch., Xu, L., Zong, L., Shen, H., Wei, Sh. Research status of tungsten-based plasma-facing materials: A review. Fusion Engineering and Design, 190, 113487 (2023). https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2023.113487

12. Wang, Sh., Li, J., Wang, Y., Zhang, X., Wang, R., Wang, Y., Cao, J. Thermal damage of tungstenarmored plasma-facing components under high heat flux loads. Sci Rep. 28;10(1), 1359 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-57852-8

13. Zhang, L., Zhang, X., Li, N., Zhang, P., Mei, X., Wang, Y., Uglov, V.V. Experimental and simulation studies on damage mechanisms of tungsten and molybdenum under compressed plasma flow irradiation. Nucl. Fusion, 63, 076010 (2023). https://doi.org/10.1088/1741-4326/acd016

14. Sattar, H., Jielin, Sh., Ran, H., Imran, M., Ding, W., Gupta, P.D., Ding, H. Impact of microstructural properties on hardness of tungsten heavy alloy evaluated by stand-off LIBS after PSI plasma irradiation. Journal of Nuclear Materials, 540, 152389 (2020). https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152389

15. Kim, H.C., Bang, E., Kim, K-M., Oh, Ye., Han, H.N., Choi, J., Hong, S-H. Analysis of hardness and microstructural changes in Tungsten mono-blocks exposed to high heat flux at 10 MW/m2 . Fusion Engineering and Design, 170, 112530 (2021). https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112530

16. Borovickaja, I.V., Pimenov, V.N., Masljaev, S.A., Demin, A.S., Morozov, E.V., Mihajlova, A.B., Serebrjanyj, V.N., Koljanova, A.S., Bondarenko, G.G., Gajdar, A.I., Matveev, E.V., Sasinovskaja, I.P. Osobennosti povrezhdaemosti poverhnostnyh sloev monokristallicheskogo vol’frama pod vozdejstviem moshhnyh impul’snyh potokov ionov gelija i plazmy. Russian Metallurgy, 4, 93–103 (2025). (in Russian). https://doi.org/10.31857/S08695733250493103

17. Wu, Z.M., Zhang, J., Zhang, J., Huang, J.C., Fan, Y., Yu, X.H., Zhao, Y.B., Zhu, J.L., Jin, C.Q., Wang, P., Fu, E.G. Nanocrystalline W-based alloys with ultrahigh hardness and exceptional irradiation tolerance. Nucl. Fusion, 59, 106050 (2019). https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab34c8

18. Racz, A., Kun, P., Kerner, Z., Fogarassy, Z., Menyhárd, M. Tungsten Carbide Nanolayer Formation by Ion Beam Mixing with Argon and Xenon Ions for Applications as Protective Coatings. ACS Appl Nano Mater., 22;6(5), 3816–3824 (2023). https://doi.org/10.1021/acsanm.2c05505

19. Hou, Q-Q., Huang, K., Luo, L-M., Tan, X-Y., Zan, X., Xu, Q., Zhu, X-Y., Wu, Y-Ch. Microstructure and its high temperature oxidation behavior of W-Cr alloys prepared by spark plasma sintering. Materialia, 6, 2019, 100332 (2023). https://doi.org/10.1016/j.mtla.2019.100332

20. Dosbolayev, M.K., Tazhen, A.B., Ramazanov, T.S., Ussenov, Ye.A. Investigation of dust formation during changes in the structural and surface properties of plasma irradiated materials. Nucl. Mater. Energy, 33, 101300 (2022), https://doi.org/10.1016/j.nme.2022.101300

21. Dosbolayev, M.K., Tazhen, A.B., Kholmirzayev, A.N., Ussenov, Y.A., Ramazanov, T.S. Studies of the formation and distribution of cracks and various defects on the heated tungsten plate surface during pulsed plasma flux impact. Nuclear Materials and Energy, 37, 101540 (2023). https://doi.org/10.1016/j.nme.2023.101540

22. Tazhen, A.B., Dosbolayev, M.K., Ramazanov, T.S. Investigation of self-generated magnetic field and dynamics of a pulsed plasma flow. Plasma Sci. Technol., 24, 055403 (2011). https://doi.org/10.1088/2058-6272/ac5018

23. Dosbolayev, M.K., Tazhen, A.B., Ramazanov, T.S. Investigation and diagnostics of plasma flows in a pulsed plasma accelerator for experimental modeling of processes in tokamaks. Eurasian J. Phys. Functional Mater., 5, 198–210 (2021). https://doi.org/10.32523/ejpfm.2021050404

24. Tazhen, A.B., Dosbolayev, M.K., Pshikov, M.I., Usenov, E.A., Ramazanov, T.S. Measurement of the velocity of pulsed plasma flow at the PW-7 installation. Herald of the Kazakh-British Technical University, 2024;21(3), 273–280 (2024). (In Russ.) https://doi.org/10.55452/1998-6688-2024-21-3-273-280

25. Dosbolayev, M.K., Utegenov, A.U., Tazhen, A.B., Ramazanov, T.S. Investigation of dust formation in fusion reactors by pulsed plasma accelerator. Laser and Particle Beams, 35(4), 741–749 (2017). https://doi.org/10.1017/S0263034617000805

26. Qua, M., Konga, F., Yana, Sh., Uglov, V.V., Xue, J., Wang, Y. Damages on pure tungsten irradiated by compression plasma flows. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B 444, 33–37 (2019). https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.12.050

27. Moldabekov, Zh.M., Zhukeshov, A.M., Gabdullina, A.T., Amrenova, A.U. Investigation of radiation effect on tungsten and molybdenum materials. International Journal of Mathematics and Physics, 14(2), 56-63 (2023). https://doi.org/10.26577/ijmph.2023.v14.i2.07