Laboratory experiments have been used to investigate the fundamental interactions responsible for deuterium retention in lithiated graphite. Oxygen was found to be present and play a key role in experiments that simulated NSTX lithium conditioning, where the atomic surface concentration can increase to >40% when deuterium retention chemistry is observed. Quantum-classical molecular dynamic simulations elucidated this oxygen-deuterium effect and showed that oxygen retains significantly more deuterium than lithium in a simulated matrix with 20% lithium, 20% oxygen, and 60% carbon. Simulations further show that deuterium retention is even higher when lithium is removed from the matrix. Experiments artificially increased the oxygen content in graphite to ∼16% and then bombarded with deuterium. X-ray photoelectron spectroscopy showed depletion of the oxygen and no enhanced deuterium retention, thus demonstrating that lithium is essential in retaining the oxygen that thereby retains deuterium.

1.
J.
Winter
,
Plasma Phys. Control. Fusion
38
,
1503
(
1996
).
2.
3.
4.
P.
Mioduszewski
,
J. E.
Simpkins
,
P. H.
Edmonds
,
R. C.
Isler
,
E. A.
Lazarus
,
C. H.
Ma
,
M.
Murakami
, and
A. J.
Wootton
,
J. Nucl. Mater.
128–129
,
884
(
1984
).
5.
H. F.
Dylla
,
P. H.
LaMarche
,
W. R.
Blanchard
,
R. V.
Budny
,
F. P.
Boody
,
C. E.
Bush
,
R. J.
Groebner
,
P. J.
McCarthy
,
J. E.
Simpkins
, and
B. C.
Stratton
,
J. Vac. Sci. Technol.
4
,
1753
(
1986
).
6.
L.
Peng
,
E.
Wang
,
N.
Zhang
,
D.
Yan
,
M.
Wang
,
Z.
Wang
,
B.
Deng
,
K.
Li
,
J.
Luo
, and
L.
Liu
,
Nucl. Fusion
38
,
1137
(
1998
).
7.
8.
J. L.
Terry
,
E. S.
Marmar
,
J. A.
Snipes
,
D.
Garnier
, and
V. Y.
Sergeev
,
Rev. Sci. Instrum.
63
,
5191
(
1992
).
9.
J. L.
Terry
,
E. S.
Marmar
,
R. B.
Howell
,
M.
Bell
,
A.
Cavallo
,
E.
Fredrickson
,
A.
Ramsey
,
G. L.
Schmidt
,
B.
Stratton
, and
G.
Taylor
,
Rev. Sci. Instrum.
61
,
2908
(
1990
).
10.
V. Y.
Sergeev
,
E. S.
Marmar
,
J. A.
Snipes
,
J. L.
Terry
,
H.
Park
,
D. K.
Mansfield
,
M.
Bell
, and
D.
McCune
,
Rev. Sci. Instrum.
63
,
4984
(
1992
).
11.
D. K.
Mansfield
,
K. W.
Hill
,
J. D.
Strachan
,
M. G.
Bell
,
S. D.
Scott
,
R.
Budny
,
E. S.
Marmar
,
J. A.
Snipes
,
J. L.
Terry
, and
S.
Batha
,
Phys. Plasmas
3
,
1892
(
1996
).
12.
D. K.
Mansfield
,
J. D.
Strachan
,
M. G.
Bell
,
S. D.
Scott
,
R.
Budny
,
E. S.
Marmar
,
J. A.
Snipes
,
J. L.
Terry
,
S.
Batha
,
R. E.
Bell
,
M.
bitter
,
C. E.
Bush
,
Z.
Chang
,
D. S.
Darrow
,
D.
Ernst
,
E.
Fredrickson
,
B.
Grek
,
H. W.
Herrmann
,
K. W.
Hill
,
A.
Janos
,
D. L.
Jassby
,
F. C.
Jobes
,
D. W.
Johnson
,
L. C.
Johnson
,
F. W.
Levinton
,
D. R.
Mikkelsen
,
D.
Mueller
,
D. K.
Owens
,
H.
Park
,
A. T.
Ramsey
,
A. L.
Roquemore
,
C. H.
Skinner
,
T.
Stevenson
,
B. C.
Stratton
,
E.
Synakowski
,
G.
Taylor
,
A.
von Halle
,
S.
von Goeler
,
K. L.
Wong
, and
S. J.
Zweben
,
Phys. Plasmas
2
,
4252
(
1995
).
13.
R.
Majeski
,
M.
Boaz
,
D.
Hoffman
,
B.
Jones
,
R.
Kaita
,
H.
Kugel
,
T.
Munsat
,
J.
Spaleta
,
V. A.
Soukhanovskii
,
J.
Timberlake
,
L.
Zakharov
,
G.
Antar
,
R. P.
Doerner
,
S.
Luckhardt
,
R. W.
Conn
,
M.
Finkenthal
,
D.
Stutman
,
R.
Maingi
, and
M.
Ulrickson
,
Fusion Eng. Des.
65
,
443
(
2003
).
14.
A. A.
Tuccillo
,
A.
Alekseyev
,
B.
Angelini
,
S. V.
Annibaldi
,
M. L.
Apicella
,
G.
Apruzzese
,
J.
Berrino
,
E.
Barbato
,
A.
Bertocchi
,
A.
Biancalani
,
W.
Bin
,
A.
Botrugno
,
G.
Bracco
,
S.
Briguglio
,
A.
Bruschi
,
P.
Buratti
,
G.
Calabrò
,
A.
Cardinali
,
C.
Castaldo
,
C.
Centioli
,
R.
Cesario
,
L.
Chen
,
S.
Cirant
,
V.
Cocilovo
,
F.
Crisanti
,
R.
De Angelis
,
U.
de Angelis
,
L.
Di Matteo
,
C.
Di Troia
,
B.
Esposito
,
G.
Fogaccia
,
D.
Frigione
,
L.
Gabellieri
,
F.
Gandini
,
E.
Giovannozzi
,
G.
Granucci
,
F.
Gravanti
,
G.
Grossetti
,
G.
Grosso
,
F.
Iannone
,
H.
Kroegler
,
V.
Lazarev
,
E.
Lazzaro
,
I. E.
Lyublinski
,
G.
Maddaluno
,
M.
Marinucci
,
D.
Marocco
,
J. R.
Martin-Solis
,
G.
Mazzitelli
,
C.
Mazzotta
,
V.
Mellera
,
F.
Mirizzi
,
S.
Mirnov
,
G.
Monari
,
A.
Moro
,
V.
Muzzini
,
S.
Nowak
,
F. P.
Orsitto
,
L.
Panaccione
,
D.
Pacella
,
M.
Panella
,
F.
Pegoraro
,
V.
Pericoli-Ridolfini
,
S.
Podda
,
S.
Ratynskaia
,
G.
Ravera
,
A.
Romano
,
A.
Rufoloni
,
A.
Simonetto
,
P.
Smeulders
,
C.
Sozzi
,
E.
Sternini
,
B.
Tilia
,
O.
Tudisco
,
A.
Vertkov
,
V.
Vitale
,
G.
Vlad
,
R.
Zagórski
,
M.
Zerbini
, and
F.
Zonca
,
Nucl. Fusion
49
,
104013
(
2009
).
15.
G. L.
Jackson
,
E. A.
Lazarus
,
G. A.
Navratil
,
R.
Bastasz
,
N. H.
Brooks
,
D. T.
Garnier
,
K. L.
Holtrop
,
J. C.
Phillips
,
E. S.
Marmar
, and
T. S.
Taylor
,
J. Nucl. Mater.
241
,
655
(
1997
).
16.
J.
Sánchez
,
F. L.
Tabarés
,
D.
Tafalla
,
J. A.
Ferreira
,
I.
García-Cortés
,
C.
Hidalgo
,
F.
Medina
,
M. A.
Ochando
, and
M. A.
Pedrosa
,
J. Nucl. Mater.
390
,
852
(
2009
).
17.
S. V.
Mirnov
,
V. B.
Lazarev
,
S. M.
Sotnikov
,
V. A.
Evtikhin
,
I. E.
Lyublinski
, and
A. V.
Vertkov
,
Fusion Eng. Des.
65
,
455
(
2003
).
18.
G. S.
Xu
,
B. N.
Wan
,
J. G.
Li
,
X. Z.
Gong
,
J. S.
Hu
,
J. F.
Shan
,
H.
Li
,
D. K.
Mansfield
,
D. A.
Humphreys
, and
V.
Naulin
,
Nucl. Fusion
51
,
072001
(
2011
).
19.
M. G.
Bell
,
H. W.
Kugel
,
R.
Kaita
,
L. E.
Zakharov
,
H.
Schneider
,
B. P.
LeBlanc
,
D.
mansfield
,
R. E.
Bell
,
R.
Maingi
,
S.
Ding
,
S. M.
Kaye
,
S. F.
Paul
,
S. P.
Gerhardt
,
J. M.
Canik
,
J. C.
Hosea
,
G.
Taylor
, and The NSTX research team,
Plasma Phys. Control. Fusion
51
,
124054
(
2009
).
20.
G.
Gettelfinger
,
J.
Dong
,
R.
Gernhardt
,
H.
Kugel
,
P.
Sichta
, and
J.
Timberlake
, in
20th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering
(
2003
), p.
359
.
21.
H. W.
Kugel
,
M. G.
Bell
,
J. W.
Ahn
,
J. P.
Allain
,
R.
Bell
,
J.
Boedo
,
C.
Bush
,
D.
Gates
,
T.
Gray
,
S.
kaye
,
R.
Kaita
,
B.
Leblanc
,
R.
Maingi
,
R.
Majeski
,
D.
Mansfield
,
J.
Menard
,
D.
Mueller
,
M.
Ono
,
S.
Paul
,
R.
Raman
,
A. L.
Roquemore
,
P. W.
Ross
,
S.
Sabbagh
,
H.
Schneider
,
C. H.
Skinner
,
V. A.
Soukhanovskii
,
T.
Stevenson
,
J.
Timberlake
,
W. R.
Wampler
, and
L.
Zakharov
,
Phys. Plasmas
15
,
056118
(
2008
).
22.
H. W.
Kugel
,
M. G.
Bell
,
J. P.
Allain
,
R. E.
Bell
,
S.
Ding
,
S. P.
Gerhardt
,
M. A.
Jaworski
,
R.
Kaita
,
J.
Kallman
,
S. M.
Kaye
,
B. P.
LeBlanc
,
R.
Maingi
,
R.
Majeski
,
R.
Maqueda
,
D. K.
Mansfield
,
D.
Mueller
,
R.
Nygren
,
S. F.
Paul
,
R.
Raman
,
A. L.
Roquemore
,
S. A.
Sabbagh
,
H.
Schneider
,
C. H.
Skinner
,
V. A.
Soukhanovskii
,
C. N.
Taylor
,
J. R.
Timberlake
,
W. R.
Wampler
,
L. E.
Zakharov
,
S. J.
Zweben
, and T. N. R. Team,
J. Nucl. Mater.
415
,
S400
(
2011
).
23.
H.
Sugai
,
H.
Toyoda
,
K.
Nakamura
,
K.
Furuta
,
M.
Ohori
,
K.
Toi
,
S.
Hirokura
, and
K.
Sato
,
J. Nucl. Mater.
220–222
,
254
(
1995
).
24.
H.
Sugai
,
M.
Ohori
, and
H.
Toyoda
,
Vacuum
47
,
981
(
1996
).
25.
M. J.
Baldwin
,
R. P.
Doerner
,
S. C.
Luckhardt
, and
R. W.
Conn
,
Nucl. Fusion
42
,
1318
(
2002
).
26.
C. H.
Skinner
,
J. P.
Allain
,
W.
Blanchard
,
H. W.
Kugel
,
R.
Maingi
,
A. L.
Roquemore
,
V. A.
Soukhanovskii
, and
C. N.
Taylor
,
J. Nucl. Mater.
415
,
S773
(
2011
).
27.
M.
Nieto-Perez
,
J. P.
Allain
,
B.
Heim
, and
C. N.
Taylor
,
J. Nucl. Mater.
415
,
S133
(
2011
).
28.
J. R.
Dahn
,
T.
Zheng
,
Y.
Liu
, and
J. S.
Xue
,
Science
270
,
590
(
1995
).
29.
K.
Srinivasu
and
S. K.
Ghosh
,
J. Phys. Chem. C
116
,
5951
(
2012
).
30.
C. N.
Taylor
,
B.
Heim
, and
J. P.
Allain
,
J. Appl. Phys.
109
,
053306
(
2011
).
31.
C. N.
Taylor
,
K. E.
Luitjohan
,
B.
Heim
,
L.
Kollar
,
J. P.
Allain
,
C. H.
Skinner
,
H. W.
Kugel
,
R.
Kaita
,
A. L.
Roquemore
, and
R.
Maingi
,
Fusion Eng. Des.
88
,
3157
(
2013
).
32.
P. S.
Krstic
,
J. P.
Allain
,
C. N.
Taylor
,
J.
Dadras
,
S.
Maeda
,
K.
Morokuma
,
J.
Jakowski
,
A.
Allouche
, and
C. H.
Skinner
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
105001
(
2013
).
33.
P. S.
Krstic
,
J. P.
Allain
,
A.
Allouche
,
J.
Jakowski
,
J.
Dadras
,
C. N.
Taylor
,
Z.
Yang
,
K.
Morokuma
, and
S.
Maeda
,
Fusion Eng. Des.
87
,
1732
(
2012
).
34.
C. N.
Taylor
,
J.
Dadras
,
K. E.
Luitjohan
,
J. P.
Allain
,
P. S.
Krstic
, and
C. H.
Skinner
,
J. Appl. Phys.
114
,
223301
(
2013
).
35.
B.
Heim
,
S.
Gonderman
,
C. N.
Taylor
,
J. P.
Allain
,
Z. C.
Yang
,
M.
Gonzalez
,
E.
Collins
,
C. H.
Skinner
,
B.
Ellis
,
W.
Blanchard
,
A. L.
Roquemore
,
H. W.
Kugel
,
R.
Martin
, and
R.
Kaita
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
40
,
735
(
2012
).
36.
C. N.
Taylor
,
B.
Heim
,
S.
Gonderman
,
J. P.
Allain
,
Z.
Yang
,
R.
Kaita
,
A. L.
Roquemore
,
C. H.
Skinner
, and
R. A.
Ellis
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
10D703
(
2012
).
37.
R.
Maingi
,
S. M.
Kaye
,
C. H.
Skinner
,
D. P.
Boyle
,
J. M.
Canik
,
M. G.
Bell
,
R. E.
Bell
,
T. K.
Gray
,
M. A.
Jaworski
,
R.
Kaita
,
H. W.
Kugel
,
B. P.
LeBlanc
,
D. K.
Mansfield
,
T. H.
Osborne
,
S. A.
Sabbagh
, and
V. A.
Soukhanovskii
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
145004
(
2011
).
38.
C. N.
Taylor
,
J. P.
Allain
,
B.
Heim
,
P. S.
Krstic
,
C. H.
Skinner
, and
H. W.
Kugel
,
J. Nucl. Mater.
415
,
S777
(
2011
).
39.
J. R.
Hoenigman
and
R. G.
Keil
,
Appl. Surf. Sci.
18
,
207
(
1984
).
40.
C. H.
Skinner
,
R.
Sullenberger
,
B. E.
Koel
,
M. A.
Jaworski
, and
H. W.
Kugel
,
J. Nucl. Mater.
438
,
S647
(
2013
).
41.
D.
Ensling
,
A.
Thissen
, and
W.
Jaegermann
,
Appl. Surf. Sci.
255
,
2517
(
2008
).
42.
S. S.
Harilal
,
J. P.
Allain
,
A.
Hassanein
,
M. R.
Hendricks
, and
M.
Nieto-Perez
,
Appl. Surf. Sci.
255
,
8539
(
2009
).
43.
J. F.
Ziegler
,
J. P.
Biersack
, and
M. D.
Ziegler
, “
The Stopping and Range of Ions in Matter
,” SRIM Co.,
2008
, www.SRIM.org.
44.
G.
Lee
,
J. Y.
Lee
,
S.
Kim
, and
E. J.
Cho
,
Surf. Sci.
532–535
,
764
(
2003
).
45.
D.
den Engelsen
and
B.
Ferrario
,
J. Vac. Sci. Technol. B
22
,
809
(
2004
).
46.
M.
Caragiu
and
S.
Finberg
,
J. Phys.: Condens. Matter
17
,
R995
(
2005
).
You do not currently have access to this content.