In ITER and future fusion devices, wall erosion caused by transient heat loads, edge-localized modes (ELMs) and disruptions is a serious concern. Suppression of the erosion occurs when a significant vapor emission happens under the heat loads, which is known as vapor shielding. Estimation of the suppressed erosion amount is essential for life time analysis and reactor design. In this study, we developed a particle-in-cell simulation code for the vapor shielding, PIXY, and applied the code to the erosion estimation for Be and W walls under a pulsed heat flux of 1–20 GW m−2 within 0.2 ms, which simulates a short-duration ELM pulse. Heat fluxes reaching the wall are recorded separately for electrons and ions, and reveal effective physical processes during the vapor shielding at Be and W walls. Then, for these walls, the total erosion amounts with and without vapor shielding are evaluated and compared. Estimated total erosion is larger for the Be wall up to 10 GW m−2. The Be wall erosion becomes saturated for the heat flux >10 GW m−2 due to its effective shielding, while the estimated W wall erosion eventually overcomes the Be wall erosion. In the short-time scale studied in this paper, effective radiation cooling by W vapor clouds is not observed. A simple wall life time analysis based on the estimated erosion rate shows 10 mm of W wall will survive 107 ELM loads with energy density less than 1 MJ m−2.
ITERおよび将来の核融合装置において、過渡熱負荷、周辺局在モード(ELM)、ディスラプションによる壁損耗は重大な懸念事項である。熱負荷下で有意な蒸気放出が生じると損耗の抑制が起こるが、これは蒸気シールドとして知られている。抑制された損耗量の評価は、寿命解析と炉設計に不可欠である。本研究では、蒸気シールド用の粒子インセルシミュレーションコードPIXYを開発し、短時間ELMパルスを模擬した0.2 ms以内の1〜20 GW m⁻²のパルス熱流束下におけるBe壁およびW壁の損耗評価に本コードを適用した。壁に到達する熱流束は電子とイオンで別々に記録され、Be壁およびW壁での蒸気シールド中の有効な物理プロセスが明らかになった。次に、これらの壁について、蒸気シールドがある場合とない場合の全損耗量を評価し、比較した。推定される全損耗量は、10 GW m⁻²まではBe壁の方が大きい。Be壁の損耗は、その効果的なシールドにより10 GW m⁻²超の熱流束で飽和するが、W壁の推定損耗量は最終的にBe壁の損耗量を上回る。本論文で研究した短時間スケールでは、W蒸気雲による効果的な放射冷却は観測されなかった。推定損耗速度に基づく単純な壁寿命解析では、10 mmのW壁は1 MJ m⁻²未満のエネルギー密度のELM負荷を10⁷回印加しても耐えられることが示された。