Non-equilibrium physical vapour deposition of compact tungsten coatings for plasma-surface interaction experiments

The scientific and technological feasibility of energy production from nuclear fusion largely depends on the availability of materials able to withstand the extreme conditions expected in fusion reactors such as ITER. Among the candidate materials, tungsten has been chosen for the most demanding Plasma Facing Component (PFC), the divertor, thanks to a combination of favourable properties: high melting temperature, good thermal conductivity and high sputtering threshold. Thermonuclear plasma exposure is mediated by thermal, neutronic and atomic particle fluxes, causing morphological and structural alterations of the surface, as well as changes in the bulk material properties. Joined with the formation of redeposited layers, these phenomena can drastically alter the performances of PFCs. For this reason, they must be understood, predicted and controlled. These aims require two independent skills: to replicate exposure conditions not available to present reactors but similar to the ones expected for future devices, and to produce materials with controlled properties to study their modifications under these conditions. The objective of this Thesis Work is to investigate this latter aspect at an experimental level, following a materials science approach. Compact tungsten thin films with peculiar properties are produced exploiting three Physical Vapour Deposition techniques: Pulsed Laser Deposition (PLD), Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS) and High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS). The morphological and mechanical properties of the coatings are characterised. Moreover, the ability to provide conformal coverage of complex surfaces is investigated. PLD has been successfully used for mimicking redeposited layers at the laboratory scale, thanks to its high versatility. However, the obtained results sustain the interest in films produced by Magnetron Sputtering (both DCMS and HiPIMS) for plasma exposure experiments, also thanks to the better step coverage obtained by these deposition techniques.

La fattibilità scientifica e tecnologica della produzione di energia da fusione nucleare dipende fortemente dalla disponibilità di materiali in grado di sostenere le condizioni estreme previste per reattori a fusione come ITER. Tra i materiali proposti, il tungsteno è stato scelto per la realizzazione del più critico componente esposto al plasma, il divertore, grazie a una serie di vantaggi: alta temperatura di fusione, buona conducibilità termica e elevata soglia di sputtering. L'interazione con un plasma termonucleare è mediata da flussi termici, neutronici e di particelle atomiche, e causa alterazioni morfologiche e strutturali della superficie, così come variazioni nelle proprietà del materiale bulk. Insieme alla formazione di strati ridepositati, questi fenomeni alterano marcatamente le performance dei componenti. Per tale ragione, devono essere compresi, previsti e controllati. Questi obiettivi richiedono due abilità indipendenti: replicare condizioni di esposizioni non raggiungibili dagli attuali reattori ma simili a quelle dei dispositivi futuri, e produrre materiali con proprietà controllate per studiarne le modificazioni in tali condizioni. Lo scopo di questo lavoro di Tesi è investigare questo secondo aspetto sul piano sperimentale, con un approccio di scienza dei materiali. Rivestimenti compatti di tungsteno con proprietà caratteristiche sono prodotti usando tre tecniche di deposizione fisica da vapore: Pulsed Laser Deposition (PLD), Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS) e High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS). I rivestimenti ottenuti sono analizzati in termini delle loro proprietà morfologiche e meccaniche. Inoltre, viene studiato il ricoprimento conforme di superfici complesse. La tecnica PLD è usata con successo per riprodurre i ridepositi alla scala di laboratorio grazie alla sua elevata versatilità. Nondimeno, i risultati ottenuti evidenziano l'interesse in rivestimenti prodotti con Magnetron Sputtering (sia DCMS che HiPIMS) per esperimenti di esposizione al plasma, anche grazie al migliore ricoprimento conforme ottenuto tramite queste tecniche.