This study explores a hypothetical scenario where low-activation refractory multi-component alloys (RMCAs) are considered for use as divertor target materials in fusion reactors. To investigate the surface modifications under divertor service conditions, a multi-phase W–Ta–V–Cr RMCA is irradiated with low-energy helium (He) plasma at varying temperatures to approximately 5.0 × 1025 He·m−2. The W-rich and Cr-rich phases in the multi-phase RMCA mimic the mono-phase W–Ta–V–Cr RMCA and segregation at grain boundaries, respectively. Following irradiation, fuzz layer formation is observed for all phases at temperatures lower than pure W requires. Additionally, nano He bubbles are identified in the fuzz tendrils at 920 °C. The modified layers exhibit reduced V and Cr content with increasing temperature, transitioning into W-Ta binary alloys at 920 °C. Notably, the fuzz layer on the W-rich phase is thinner than that on pure W at 920 °C. While a thinner fuzz layer suggests the alloy's potential as a divertor target material, challenges include a lower fuzz formation temperature and potential high V and Cr sputtering yield, raising concerns for plasma contamination during fusion reactor operation. This dual perspective highlights both the promise and challenges of utilizing RMCAs as divertor target materials in severe fusion reactor environments.
本研究では、低放射化高融点多元合金(RMCAs)を核融合炉のダイバータ標的材として使用することを想定した仮想的シナリオを調査する。ダイバータ使用条件下での表面改質を調べるため、多相W–Ta–V–Cr RMCAに、様々な温度で約5.0 × 10^25 He・m^−2の低エネルギー・ヘリウム(He)プラズマを照射した。多相RMCA中のWリッチ相とCrリッチ相は、それぞれ単相W–Ta–V–Cr RMCAと粒界偏析を模倣している。照射後、全ての相において、純Wが必要とする温度よりも低い温度でファズ層の形成が観察された。さらに、920 °Cではファズのテンドリル内にナノHeバブルが確認された。改質層は、温度の上昇とともにVおよびCr含有量が減少し、920 °CではW-Ta二元合金へと移行した。注目すべきことに、920 °CにおけるWリッチ相上のファズ層は、純W上のそれよりも薄い。ファズ層がより薄いことは、この合金のダイバータ標的材としての可能性を示唆する一方、課題としては、ファズ形成温度の低下や、VおよびCrの高いスパッタ収率の可能性が挙げられ、核融合炉運転中のプラズマ汚染に対する懸念が生じる。この二重の視点は、過酷な核融合炉環境においてRMCAsをダイバータ標的材として利用することの可能性と課題の両方を浮き彫りにしている。