Based on a continuous-domain model, capable of accessing the spatiotemporal scales relevant to fuzz formation on the surface of plasma-facing component (PFC) tungsten, we report self-consistent simulation results that elucidate the effects of elastic softening and helium (He) accumulation kinetics on the surface morphological response of PFC tungsten. The model accounts for the softening of the elastic moduli in the near-surface region of PFC tungsten, including both thermal softening at high temperature and softening due to He accumulation upon He implantation. The dependence of the elastic moduli on the He content follows an exponential scaling relation predicted by molecular-dynamics simulations, while the He content in the near-surface region of PFC tungsten evolves according to a first-order saturation kinetics, consistent with experimental and simulation results reported in the literature. We establish that this elastic softening accelerates both nanotendril growth on the PFC surface and the onset of fuzz formation. We also explore the role of the rate of He accumulation to a saturation level in the near-surface region of irradiated tungsten in the onset of fuzz formation. For PFC tungsten surfaces such as W(110) where, under typical irradiation conditions, the characteristic time scale for stress-driven surface diffusion is comparable to the characteristic time scale for He accumulation, we find that accelerating the rate of He accumulation accelerates the growth rate of nanotendrils emanating from the surface. Additionally, we present a systematic parametric study of the PFC surface morphological response to explore its dependence on the He accumulation kinetics that is controlled by the irradiation conditions for low-energy implantation. Finally, we introduce an incubation time for nanotendril growth on the PFC surface, a concept equivalent to that of incubation fluence discussed in the literature, to predict and explain the minimum exposure time required to observe fuzz formation on PFC tungsten surfaces.
連続体モデルに基づき、プラズマ対向材料（PFC）タングステン表面におけるファズ形成に関連する時空間スケールにアクセス可能な、自己無撞着シミュレーション結果を報告する。本シミュレーションは、PFCタングステンの表面形態応答に対する弾性軟化とヘリウム（He）蓄積動力学の影響を解明するものである。本モデルは、PFCタングステンの表面近傍領域における弾性率の軟化を考慮しており、これには高温での熱的軟化と、He注入に伴うHe蓄積による軟化の両方が含まれる。弾性率のHe含有量への依存性は、分子動力学シミュレーションによって予測された指数関数的スケーリング則に従う一方、PFCタングステンの表面近傍領域におけるHe含有量は、文献に報告された実験結果およびシミュレーション結果と一致する一次飽和動力学に従って時間発展する。我々は、この弾性軟化がPFC表面におけるナノテンドリル成長とファズ形成の開始の両方を加速することを確立する。また、照射タングステンの表面近傍領域におけるHe蓄積の飽和レベルへの到達速度が、ファズ形成の開始に及ぼす影響も調査する。典型的な照射条件下でのW(110)などのPFCタングステン表面において、応力駆動型表面拡散の特性時間がHe蓄積の特性時間と同程度である場合、He蓄積速度の増加が表面から成長するナノテンドリルの成長速度を加速することを見出す。さらに、低エネルギー注入の照射条件によって制御されるHe蓄積動力学に対するPFC表面形態応答の依存性を調査するため、系統的パラメトリック研究を提示する。最後に、PFCタングステン表面におけるファズ形成を観測するために必要な最小曝露時間を予測・説明するため、文献で議論されているインキュベーションフルエンスの概念に相当する、PFC表面におけるナノテンドリル成長のインキュベーション時間を導入する。