Reducing ion retention in materials is a key factor in the management of tritium inventory, the selection of compatible plasma-facing materials (PFMs), and thus the future development of fusion reactors. In this work, by introducing the cellular sink strength of grain boundaries (GBs) into the cluster dynamics model, the behavior of hydrogen (H) and helium (He) retention in W with different grain sizes is studied under various irradiation conditions systematically. It is found that the H/He retention increases dramatically with decreasing grain size at typical service temperatures, due to the enhancement of H/He capture ratio by GBs. Generally, He retention exists in three forms: He in GBs, in dislocations and in clusters (HemVn, Hen and HenI). Our further study shows that, under the irradiation of low energy and low fluence ions, the contribution of He in clusters is negligible. The total He retention is thus dominated by the competing absorption of GBs and dislocations, that is, changing from the dislocation-based to grain boundary-based retention with decreasing grain size. H retention also presents the same behavior. In view of these grain size-related behaviors of H/He retention in W, it is suggested that coarse-grained crystals should be selected for W-based PFMs in practice.
材料中のイオン保持低減は、トリチウムインベントリ管理、適合性のあるプラズマ対向材料（PFMs）の選定、ひいては将来の核融合炉開発における重要な要素である。本研究では、粒界（GBs）のセルラーシンク強度をクラスターダイナミクスモデルに導入することにより、異なる粒径を有するW中の水素（H）およびヘリウム（He）保持挙動を、様々な照射条件下で体系的に調査した。典型的な使用温度において、粒径の減少に伴いH/He保持量が劇的に増加することが見出された。これは、粒界によるH/He捕捉率の増強に起因する。一般に、He保持は三つの形態で存在する：粒界中のHe、転位中のHe、およびクラスター（HemVn、Hen、HenI）中のHeである。さらなる研究により、低エネルギーかつ低フルエンスのイオン照射下では、クラスター中のHeの寄与は無視できることが示された。したがって、全He保持量は粒界と転位の競合的吸収によって支配され、すなわち粒径の減少に伴い転位ベースから粒界ベースの保持へと移行する。H保持も同様の挙動を示す。Wにおけるこれらの粒径依存性のあるH/He保持挙動を考慮すると、実際にはWベースのPFMとして粗粒結晶を選択することが推奨される。