The failure mechanism of plasma-facing components (PFCs) under extreme plasma conditions relevant for fusion reactors were investigated. Here, edge-localized mode (ELM)-like transient thermal shock irradiation experiments were performed on tungsten and molybdenum using compressed plasma flow, and combined with thermal–mechanical analysis by means of finite element simulations to discuss the grain structure evolution, cracking behavior and variations of hardness. When ELM-like thermal shock irradiation was sufficient to melt tungsten and molybdenum, a submicron-sized cellular sub-grain structure was created on their surface due to the high temperature gradient of the molten layer under the effect of Bénard–Marangoni instability. Rapid directional solidification from the bottom of the molten layer to the surface induced the formation of columnar grains dominated by the <200> orientation. While the formation of cellular sub-grains increased hardness, the thermal effect of irradiation and the formation of columnar grains led to softening. The high thermal stress induced by the ELM-like thermal shock produced macro-cracks and micro-cracks on the surface of tungsten and only micro-cracks on the surface of molybdenum. Macro-cracks were generated due to the intrinsic brittleness of tungsten. As a result of stress evolution, longitudinal macro-cracks extending perpendicular to the surface experienced transverse transformation within the material. Micro-cracks formed due to the embrittlement of the re-solidification zone, and their width increased with the melting depth. These results help us to understand failure mechanisms in PFCs under extreme operating conditions and are valuable for developing future fusion reactors.
核融合炉に関連する極端なプラズマ条件下でのプラズマ対向機器(PFCs)の破壊機構を調査した。ここでは、圧縮プラズマ流を用いてタングステンとモリブデンに対して周辺局在モード(ELM)様の過渡熱衝撃照射実験を実施し、有限要素シミュレーションによる熱機械解析と組み合わせて、結晶粒組織の変化、き裂挙動および硬さの変化を考察した。ELM様熱衝撃照射がタングステンとモリブデンを溶融させるのに十分であったとき、ベナール・マランゴニ不安定性の影響下での溶融層の高い温度勾配により、それらの表面にサブミクロンサイズのセル状サブグレイン組織が形成された。溶融層の底部から表面への急速な方向性凝固は、<200>方位が支配的な柱状結晶粒の形成を誘起した。セル状サブグレインの形成は硬さを増加させた一方で、照射の熱効果と柱状結晶粒の形成は軟化をもたらした。ELM様熱衝撃によって誘起された高い熱応力は、タングステンの表面にマクロき裂とミクロき裂を生成し、モリブデンの表面にはミクロき裂のみを生成した。マクロき裂はタングステンの本質的な脆さに起因して発生した。応力発展の結果として、表面に垂直に延びる縦方向マクロき裂は、材料内部で横方向への転向を経験した。ミクロき裂は再凝固領域の脆化に起因して形成され、その幅は溶融深さとともに増加した。これらの結果は、極端な運転条件下でのPFCsの破壊機構を理解するのに役立ち、将来の核融合炉の開発にとって価値がある。