Tungsten co-deposited layers in fusion devices are a significant potential source of plasma-contaminating dust. This study investigates the mechanisms of dust release from helium–tungsten (He–W) and deuterium–tungsten (D–W) layers under high-density steady-state plasma and ELM-like plasma pulse superposition. High-speed imaging revealed different emission behaviors: the D–W layer, featuring pre-existing blisters, released dust immediately upon plasma exposure, while the He–W layer showed a delayed emission requiring damage accumulation from several pulses. Post-mortem SEM analysis confirmed distinct surface exfoliation corresponding to these behaviors. The immediate release of D–W dust was identified as the rupture of inherently fragile blisters. In contrast, the delayed release of He–W dusts resulted from subsurface flaking, initiated by horizontal cracks forming from the interconnection of internal nano-cavities. Both layers produced substantial dust, leading to much higher erosion rates than that of pristine tungsten. These results demonstrate that the trapped gas species fundamentally dictates the co-deposited layer’s microstructure and subsequent dust emission pathway, establishing these layers as a critical and rapid dust source under transient plasma loads.
核融合装置内のタングステン共堆積層は、プラズマを汚染するダストの重要な潜在発生源である。本研究では、高密度定常プラズマおよびELM様プラズマパルス重畳の条件下でのヘリウム–タングステン(He–W)層および重水素–タングステン(D–W)層からのダスト放出メカニズムを調査する。高速撮像により、異なる放出挙動が明らかになった：既存のブリスターを特徴とするD–W層は、プラズマ曝露直後にダストを放出した。一方、He–W層は、数パルスによる損傷蓄積を必要とする遅延放出を示した。事後SEM分析により、これらの挙動に対応する明確な表面剥離が確認された。D–Wダストの即時放出は、本質的に脆いブリスターの破裂として同定された。対照的に、He–Wダストの遅延放出は、内部ナノ空洞の相互連結によって形成される水平クラックによって開始される表面下フレーキングに起因した。両層とも相当量のダストを生成し、バージンタングステンのエロージョン率よりもはるかに高いエロージョン率をもたらした。これらの結果は、捕捉されたガス種が共堆積層の微細構造およびその後のダスト放出経路を根本的に決定することを実証し、これらの層が過渡的プラズマ負荷下での重要かつ急速なダスト源であることを確立する。