In magnetic confinement fusion devices, plasma-facing materials are required to withstand severe high thermal loads, and their damage behavior significantly impacts the stability of the fusion plasma and the safety of the device. For the expected Type I edge-localized modes in future long-pulse steady-state fusion devices, the damage effects of multiple irradiations of transient thermal loads with low-medium energy density on tungsten materials are simulated using a coaxial plasma gun. At constant initial conditions (pulse frequency, gas-prefilled), the energy density is changed by altering the charging voltage to 0.1 MJ m−2 and 0.2 MJ m−2. Combining the discharge and plasma evolution characteristics of coaxial plasma gun, the temperature rise of the tungsten target under different heat loads and the damage effect on the tungsten material are studied. The results indicate that the types of W target damage mainly include roughening, micro-cracks, crack networks, and crack melting. The number of thermal shocks dominates heat accumulation and damage evolution. In the initial stage, microcracks dominate. During the intermediate stage, molten droplets play a role in repairing the crack network. In the later stage, molten droplets form a brittle recrystallization layer. Energy density determines the intensity of a single thermal shock. Under low-energy thermal shocks, micro-cracks caused by thermal stress are predominant, while high-energy thermal shocks promote crack propagation through grain loss and molten W droplets. The results of this simulation experiment provide valuable insights into the interaction mechanisms between low to medium energy density plasmas and first-wall materials in future tokamaks.
磁気閉じ込め核融合装置において、プラズマ対向材料は厳しい高熱負荷に耐えることが要求され、その損傷挙動は核融合プラズマの安定性と装置の安全性に大きな影響を及ぼす。将来の長時間パルス定常核融合装置において予想されるタイプIエッジ局在モードに対して、同軸プラズマガンを用いて、低～中エネルギー密度の過渡熱負荷の複数回照射がタングステン材料に及ぼす損傷効果をシミュレーションした。一定の初期条件（パルス周波数、ガス予充填）のもとで、充電電圧を変更することによりエネルギー密度を0.1 MJ m−2および0.2 MJ m−2に変化させた。同軸プラズマガンの放電およびプラズマ進展特性を組み合わせて、異なる熱負荷下でのタングステンターゲットの温度上昇とタングステン材料への損傷効果を研究した。結果は、Wターゲットの損傷タイプが主に粗面化、マイクロクラック、クラックネットワーク、およびクラック溶融を含むことを示している。熱衝撃の回数が熱蓄積と損傷進展を支配する。初期段階ではマイクロクラックが支配的である。中間段階では、溶融液滴がクラックネットワークを修復する役割を果たす。後期段階では、溶融液滴が脆性再結晶層を形成する。エネルギー密度は単一の熱衝撃の強度を決定する。低エネルギーの熱衝撃下では、熱応力によるマイクロクラックが支配的である一方、高エネルギーの熱衝撃は結晶粒の脱落と溶融W液滴を介してクラック伝播を促進する。このシミュレーション実験の結果は、将来のトカマクにおける低～中エネルギー密度プラズマと第一壁材料との間の相互作用メカニズムに関する貴重な洞察を提供する。