Tungsten (W) fuzz formed on divertor targets under helium plasma irradiation significantly alters the thermal conduction properties of the underlying W substrate. Hence, it is essential to conduct detailed studies on its thermal conductivity. Modeling heat transfer in the media characterized by complex rough morphology and porous structure is a formidable challenge. To address this, a novel computational framework named Lattice Boltzmann Simulation (LBS), leveraging the lattice Boltzmann method (LBM), has been developed to simulate three-dimensional heat conduction within W fuzz and calculate its effective thermal conductivity (ETC). The modeled ETCs of fuzzy layers with different thicknesses by LBS code show a good agreement with the experimental values measured in the NAGDIS-II device. Furthermore, an empirical fitting formula that describes the temperature-dependent ETC of W fuzz can be derived based on the LBS simulations, enabling rapid thermal conductivity calculations. Leveraging this relationship, a 1D heat transfer model has been utilized to investigate the impacts of W fuzz on thermal conduction for divertor targets with fuzzy surfaces. The results reveal that the formation of W fuzz reduces the critical heat flux required for surface melting, thereby exacerbating the risk of material damage under high heat loads.
ヘリウムプラズマ照射下でダイバータターゲット上に形成されるタングステン（W）ファズは、下地のW基板の熱伝導特性を著しく変化させる。したがって、その熱伝導率に関する詳細な研究を行うことが不可欠である。複雑な粗面形状と多孔質構造を特徴とする媒体中の熱伝達をモデル化することは、困難な課題である。この課題に対処するため、格子ボルツマン法（LBM）を活用した新規計算フレームワークであるLattice Boltzmann Simulation（LBS）が開発され、Wファズ内の三次元熱伝導をシミュレーションし、その実効熱伝導率（ETC）を計算する。LBSコードによる異なる厚さのファズ層のモデル化されたETCは、NAGDIS-II装置で測定された実験値と良好な一致を示す。さらに、LBSシミュレーションに基づいて、Wファズの温度依存性ETCを記述する経験的フィッティング式を導出することができ、迅速な熱伝導率計算を可能にする。この関係を活用して、ファズ表面を有するダイバータターゲットの熱伝導に対するWファズの影響を調査するために、1次元熱伝達モデルが用いられている。結果は、Wファズの形成が表面溶融に必要な臨界熱流束を低下させ、それによって高熱負荷下での材料損傷のリスクを悪化させることを明らかにしている。