Tungsten fiber-reinforced tungsten (Wf/W) has been developed to improve the fracture toughness of W materials, as demonstrated in previous studies (2019 Nucl. Fusion59 086034; 2021 Mater. Sci. Eng. A817 141361). In the present study, we focus on the performance of the developed Wf/W materials under fusion-relevant test conditions and further demonstrate their use as plasma facing materials in future fusion reactors. Specifically, one set of Wf/W samples was exposed to Ne plasma to investigate the erosion resistance against plasma sputtering, in comparison to the reference ITER-grade W sample. In addition, deuterium (D) retention in the plasma-exposed Wf/W samples was studied via thermal desorption spectroscopy. Furthermore, laser thermal shock tests were performed on Wf/W to simulate the transient heat load condition and to investigate the material performance under extreme heat flux. With increasing porosity, Wf/W exhibits lower mass loss (net erosion) after Ne plasma exposure. Though porous, Wf/W composites unexpectedly show a comparable D retention to the reference bulk W, which is attributed to the openness of the pores in the matrix. Thermal shock testing results indicate a similar cracking threshold (0.38 GW m−2, 1 ms) as compared with that of ITER-grade W materials. However, due to the lower thermal conductivity of porous matrix Wf/W, under extremely high loading conditions (1.6 GW m−2, 2 ms) surface melting was observed. The present work demonstrates the great potential of the porous matrix Wf/W for future fusion application.
タングステン繊維強化タングステン（Wf/W）は、先行研究（2019 Nucl. Fusion59 086034; 2021 Mater. Sci. Eng. A817 141361）で実証されたように、W材料の破壊靭性を向上させるために開発されてきた。本研究では、核融合関連の試験条件下における開発したWf/W材料の性能に焦点を当て、将来の核融合炉におけるプラズマ対向材料としての使用をさらに実証する。具体的には、一組のWf/W試料をNeプラズマに曝露し、参照用のITERグレードW試料と比較して、プラズマスパッタリングに対する耐食性を調査した。さらに、プラズマ曝露したWf/W試料中の重水素（D）保持を、昇温脱離分光法により研究した。加えて、過渡熱負荷条件を模擬するためにWf/Wに対してレーザー熱衝撃試験を実施し、極端な熱流束下での材料性能を調査した。多孔度の増加に伴い、Wf/WはNeプラズマ曝露後の質量減少（正味のエロージョン）が低くなることを示す。多孔質であるにもかかわらず、Wf/W複合材料は、マトリックスの気孔の開放性に起因して、参照用のバルクWと同等のD保持を示すという予想外の結果が得られた。熱衝撃試験の結果は、ITERグレードW材料と比較して同様のクラッキング閾値（0.38 GW m−2、1 ms）を示す。しかしながら、多孔質マトリックスWf/Wの熱伝導率が低いため、極めて高い負荷条件（1.6 GW m−2、2 ms）下では表面溶融が観察された。本研究は、将来の核融合応用における多孔質マトリックスWf/Wの大きな可能性を実証するものである。