Divertors constructed primarily from tungsten–copper (W/Cu) composites are essential components in magnetically confined fusion reactors, where they are subjected to extreme thermal loads. However, the W/Cu interface is particularly susceptible to fatigue-induced fracture under high heat flux (HHF) conditions. Modifying the interfacial configuration between tungsten and copper presents a promising approach to enhance the fatigue life of divertors. This study introduces a millimeter-scale serrated W/Cu interfacial design with finite element simulations and compares the fatigue performance of planar and serrated interfaces under cyclic thermal loading, with a focus on their thermomechanical behavior and failure mechanisms. The HHF experiments with digital image correlation and infrared thermography demonstrate that the serrated interface enhances fatigue life by about five times compared to the planar configuration under cyclic loading at 10 MW m−2. After 1300 thermal cycles, metallographic observations reveal that the planar interface experiences severe shear-driven fracture, while the serrated interface maintains structural integrity with minimal damage. This enhancement in fatigue performance is attributed to the serrated geometry, which redistributes shear strain, concentrates deformation at serration tips, and induces compressive strains that suppress crack propagation. These findings provide the practical and economical optimization of W/Cu interfacial structures, supporting the development of more robust divertors for fusion reactors operating under more extreme thermal environments.
タングステン–銅（W/Cu）複合材料を主として構成されるダイバータは、磁場閉じ込め核融合炉において不可欠な構成要素であり、極端な熱負荷にさらされる。しかしながら、W/Cu界面は、高熱流束（HHF）条件下での疲労誘起破壊に対して特に感受性が高い。タングステンと銅の間の界面形状を変更することは、ダイバータの疲労寿命を向上させる有望なアプローチである。本研究では、有限要素シミュレーションを用いたミリメートルスケールの鋸歯状W/Cu界面設計を紹介し、周期的熱負荷下における平面界面と鋸歯状界面の疲労性能を比較し、その熱力学的挙動と破壊メカニズムに焦点を当てる。10 MW m⁻²の周期的負荷下でのHHF実験とデジタル画像相関法および赤外線サーモグラフィにより、鋸歯状界面は平面形状と比較して疲労寿命を約5倍向上させることが実証された。1300回の熱サイクル後、金属組織観察により、平面界面は深刻なせん断駆動型破壊を経験する一方、鋸歯状界面は最小限の損傷で構造的完全性を維持することが明らかになった。この疲労性能の向上は、せん断ひずみを再分布させ、鋸歯先端部に変形を集中させ、き裂伝播を抑制する圧縮ひずみを誘起する鋸歯状形状に起因する。これらの知見は、W/Cu界面構造の実用的かつ経済的な最適化を提供し、より過酷な熱環境下で運転される核融合炉用のより堅牢なダイバータの開発を支援するものである。