In ITER, the helium (He) impurity produced by the deuterium-tritium reaction will bombard the tungsten (W) divertor armor at the strike points. Consequently, strong interaction occurs therein that both impact the performance of the plasmas and the lifetime of the divertor. Despite an ever-increasing understanding of this interaction, some experimental phenomena remain mysterious, especially the formation of orientation-dependent surface morphologies. Here, we combine multiscale experimental characterization and theoretical models to shed new light on this problem. After low-energy He plasma exposure in a linear plasma generator, the polycrystalline W surface developed various morphologies. Through electron backscatter diffraction analysis, we found that the {111} grains developed cube-corner structures, the {110} grains developed ripple structures, whereas the {100} grains remained smooth. Then, electron-transparent lamellae were extracted from such grains to observe the subsurface He bubbles by transmission electron microscopy. The volume density, size distribution, and depth range of the He bubbles weakly depend on the crystallographic orientation, suggesting that the migration of W atoms causes the morphology variety. Accordingly, we proposed a two-stage formation mechanism. First, W atoms generated by over-pressurized He bubbles glide on the slip plane and in the slip direction to reach the surface, forming characteristic patterns that are enclosed by the slip traces. Second, morphological instability drives the evolution of the surface patterns, in which the initial surface structure and surface self-diffusion kinetics mediate. The proposed mechanism has been incorporated into a topographical instability model to enable asemi-quantitative analysis. The obtained new insights are valuable to the impurity control of the core plasmas and the lifetime analysis of the divertor for ITER.
ITERにおいて、重水素-トリチウム反応によって生成されたヘリウム(He)不純物は、ストライク点でタングステン(W)ダイバータ装甲に衝突する。その結果、その領域で強い相互作用が生じ、プラズマの性能とダイバータの寿命の両方に影響を与える。この相互作用の理解はますます深まっているにもかかわらず、いくつかの実験的現象は謎のままである。特に、結晶方位に依存する表面形態の形成がそうである。ここでは、我々は多スケールの実験的特性評価と理論モデルを組み合わせて、この問題に新たな光を当てる。線形プラズマ発生装置における低エネルギーHeプラズマ曝露後、多結晶W表面は多様な形態を発達させた。電子後方散乱回折解析により、{111}粒はキューブコーナー構造を発達させ、{110}粒はリップル構造を発達させた一方、{100}粒は滑らかなままであることが分かった。次に、そのような粒から電子透過性の薄片(ラメラ)を抽出し、透過型電子顕微鏡により表面下のHeバブルを観察した。Heバブルの体積密度、サイズ分布、および深さ範囲は結晶方位に弱く依存し、W原子の移動が形態の多様性を引き起こすことを示唆している。これに基づき、我々は2段階の形成メカニズムを提案した。第一に、過圧Heバブルによって生成されたW原子が、すべり面上をすべり方向にすべって表面に到達し、すべり線で囲まれた特徴的なパターンを形成する。第二に、形態的不安定性が表面パターンの発展を駆動し、そこでは初期表面構造と表面自己拡散の速度論が媒介する。提案されたメカニズムは、半定量的解析を可能にする地形的不安定性モデルに組み込まれた。得られた新知見は、ITERの中心プラズマの不純物制御とダイバータの寿命解析にとって価値がある。