Performance of tungsten thin films in magnetic nuclear fusion reactors

Magnetic nuclear fusion represents a promising long-term solution for continuous energy production without greenhouse gas emissions or long-lived radioactive waste. Nevertheless, the availability of materials able to resist the extreme conditions of fusion reactors remains a concern, both regarding plasma-exposed and structural components. About wall materials, tungsten (W) has been chosen for present and future reactors thanks to its good thermophysical properties, including high melting point, good thermal conductivity, and low sputtering yield. However, the behaviour of W under reactor-relevant plasma conditions is still not fully understood, especially with respect to the formation of redeposited layers. Such films significantly affect reactor operation by increasing fuel retention and, if badly-adhered, producing dust particles that can trigger plasma instabilities. Understanding the growth and properties of such redeposits in the plasma conditions of future reactors is thus essential to predict the long-term evolution of the reactor wall. At the same time, the next generation of fusion reactors will impose even more strict thermal and nuclear loads on structural materials. Efficient heat removal and neutron resistance constraints will require advanced coolants such as liquid metals and molten salts. Although these fluids possess excellent thermophysical properties, they are highly corrosive to most structural materials, including steels and copper alloys. To limit material degradation, surface modification of existing components represents a promising strategy. Among the few inert materials, bulk tungsten has demonstrated compatibility with both liquid tin and fluoride molten salts, and thus candidates as barrier layer material. However, its performance as a thin coating has not been systematically investigated under corrosive liquid-metal and molten-salt environments relevant to fusion reactors. Beyond protective efficiency, several practical aspects must also be considered, including coating adhesion and uniformity over three-dimensional, rough substrates. This Ph.D. thesis investigates the performance of tungsten thin films, both formed in situ by plasma–wall interaction and deliberately deposited on structural materials, in environments relevant to future nuclear fusion reactors. In the first part, tungsten redeposition is studied in the linear plasma device Magnum-PSI, enabling systematic investigation of layer growth under steady-state plasma exposure. The results establish a relationship between plasma conditions, local growth regimes, and redeposit properties, including microstructure, adhesion, and fuel retention. These findings provide a physically grounded interpretation of redeposited tungsten layer formation under fusion-relevant conditions, while highlighting the limits of extrapolation from linear plasma experiments to tokamak environments. In the second part of the thesis, tungsten-based thin films are intentionally designed and deposited using advanced physical vapour deposition techniques as controlled model systems to investigate material behaviour in aggressive environments relevant to fusion applications, such as liquid tin and molten fluoride salts. By tailoring film microstructure, composition, and density, the work proves the influence of these parameters on corrosion processes and structural stability under exposure. Particular attention is devoted to realistic implementation aspects, including deposition on rough and three-dimensional substrates. Overall, the results demonstrate that tungsten-based thin-films provide a promising strategy to decouple functional fluids from structural materials, offering a viable pathway toward corrosion-resistant components for future fusion reactors.

La fusione nucleare a confinamento magnetico rappresenta una promettente soluzione di lungo termine per la produzione continua di energia, priva di emissioni di gas serra e di scorie radioattive di lunga durata. Tuttavia, la disponibilità di materiali in grado di resistere alle condizioni estreme dei reattori a fusione rimane una sfida fondamentale, sia per i componenti esposti al plasma sia per quelli strutturali. Per quanto riguarda i materiali di parete, il tungsteno (W) è stato scelto per i reattori presenti e futuri grazie alle sue ottime proprietà termofisiche, tra cui l’elevato punto di fusione, la buona conducibilità termica e la bassa resa di sputtering. Tuttavia, il comportamento del W in condizioni di plasma rilevanti per i futuri reattori non è ancora pienamente compreso, in particolare per quanto riguarda la formazione di strati ridepositati. Tali film influenzano l’operazione del reattore aumentando la ritenzione di combustibile e, se debolmente adesi al substrato, generando particelle di dust in grado di innescare instabilità del plasma. La comprensione dei meccanismi di crescita e delle proprietà di questi ridepositi, nelle condizioni di plasma previste nei futuri reattori, è quindi essenziale per prevedere l’evoluzione a lungo termine della parete. Parallelamente, la prossima generazione di reattori a fusione imporrà carichi termici e nucleari ancora più severi sui materiali strutturali, richiedendo l’impiego di fluidi avanzati, quali metalli liquidi e sali fusi. Sebbene questi fluidi presentino eccellenti proprietà termofisiche, essi risultano altamente corrosivi nei confronti della maggior parte dei materiali strutturali, inclusi acciai e leghe di rame. Per limitare il degrado dei materiali, la modifica superficiale mediante rivestimenti protettivi rappresenta una strategia interessante. Tra i pochi materiali considerati inerti, il tungsteno ha dimostrato compatibilità sia con lo stagno liquido sia con i sali fusi fluorurati, candidandosi quindi così come materiale barriera. Tuttavia, il suo comportamento sotto forma di film sottile non è ancora stato studiato in modo sistematico rispetto alla corrosione da metallo liquido e sali fusi in condizioni rilevanti per un reattore a fusione. Oltre all’efficacia protettiva, devono essere valutati anche diversi aspetti pratici, quali l’adesione del rivestimento al substrato e l’uniformità su componenti tridimensionali e con superficie rugosa. Questa tesi di dottorato indaga le prestazioni di film sottili di tungsteno, sia formati in situ per effetto dell’interazione plasma–parete sia depositati intenzionalmente su materiali strutturali, in ambienti rilevanti per i futuri reattori a fusione nucleare. Nella prima parte, la rideposizione del tungsteno viene studiata nella macchina di plasma lineare Magnum-PSI, consentendo un’analisi sistematica dei meccanismi di crescita degli strati in condizioni di esposizione a plasmi in regime stazionario. I risultati mostrano la relazione tra le condizioni di plasma, i regimi di crescita locali e le proprietà dei redepositi, tra cui microstruttura, adesione e ritenzione di combustibile. Questi risultati permettono un’interpretazione fisicamente fondata della formazione di strati di tungsteno ridepositato in condizioni rilevanti per la fusione, definendo al contempo i limiti dell'estrapolazione dagli esperimenti in dispositivi a plasma lineare agli ambienti tokamak. Nella seconda parte della tesi, film sottili a base di tungsteno sono progettati e prodotti intenzionalmente mediante tecniche avanzate di deposizione fisica da vapore (physical vapour deposition). Essi costituiscono dei sistemi modello dalle proprietà controllate utili ad investigare il comportamento dei materiali in ambienti aggressivi rilevanti per applicazioni di fusione, quali stagno liquido e sali fusi fluorurati. Attraverso la modulazione della microstruttura, della composizione e della densità dei film, il lavoro dimostra l’influenza di tali parametri sui processi corrosivi e sulla stabilità strutturale durante l’esposizione. Particolare attenzione è dedicata ad aspetti di implementazione realistica, inclusa la deposizione su substrati rugosi e tridimensionali. Nel complesso, i risultati mostrano che architetture controllate di film sottili a base di tungsteno rappresentano una strategia efficace per disaccoppiare i fluidi funzionali dai materiali strutturali, offrendo una strategia promettente per lo sviluppo di componenti resistenti alla corrosione per i futuri reattori a fusione.