Tungsten, the material used in the plasma-facing components (PFCs) of nuclear fusion reactors, develops a fuzz-like surface morphology under typical reactor operating conditions. This fragile 'fuzz' surface nanostructure adversely affects reactor performance and operation. Developing predictive models, capable of simulating the spatiotemporal scales relevant to the fuzz formation process is essential for understanding the growth of such extremely complex surface features and improving PFC and reactor performance. Here, we report the development of an atomistically-informed, continuous-domain model for the onset of fuzz formation in helium plasma-irradiated tungsten and validate the model by comparing its predictions with measurements from carefully designed experiments. Our study demonstrates that fuzz forms in response to stress induced in the near-surface region of PFCs as a result of plasma exposure and helium gas implantation. Our model sets the stage for detailed descriptions of this complex fuzz formation phenomenon and similar phenomena observed in other materials.
核融合炉のプラズマ対向機器（PFCs）に使用される材料であるタングステンは、典型的な炉運転条件下でファズ状の表面形態を発達させる。この脆弱な「ファズ」表面ナノ構造は、炉の性能と運転に悪影響を及ぼす。ファズ形成過程に関連する時空間スケールをシミュレートできる予測モデルの開発は、そのような極めて複雑な表面特徴の成長を理解し、PFCおよび炉の性能を向上させるために不可欠である。ここでは、ヘリウムプラズマ照射されたタングステンにおけるファズ形成の開始に対する、原子論的知見を取り入れた連続領域モデルの開発を報告し、そのモデルの予測を慎重に設計された実験からの測定値と比較することにより検証する。我々の研究は、ファズが、プラズマ曝露とヘリウムガス注入の結果としてPFCの表面近傍領域に誘起される応力に応答して形成されることを実証する。我々のモデルは、この複雑なファズ形成現象および他の材料で観察される類似の現象の詳細な記述のための基盤を築く。