The advancement of fusion reactor engineering is currently inhibited by the lack of knowledge surrounding the stability of plasma facing components (PFCs) in a tokamak environment. During normal operation, events of high heat loading occur periodically where large amounts of energy are imparted onto the PFC surface. Concurrently, irradiation by low-energy helium ions present in the fusion plasma can result in the synthesis of a fibre form nanostructure on the PFC surface, called 'fuzz'. In order to understand how this heterogeneous structure evolves and deforms in response to transient heat loading, a pulsed Nd:YAG millisecond laser is used to simulate these events on a fuzz form molybdenum (Mo) surface. Performance was analysed by three metrics: nanostructure evolution, particle emission, and improvement in optical properties. Experiments performed at the upper end of the expected range for type-I edge-localized modes (ELMs) found that the helium-induced nanostructure completely disappears after 200 pulses of the laser at 1.5 MJ m−2. In situ mass loss measurements found that the amount of particles leaving the surface increases as energy density increases and the rate of emission increases with pulse count. Finally, optical properties assisted in providing a qualitative indication of fuzz density on the Mo surface; after 400 pulses at 1.5 MJ m−2, the optical reflectivity of the damaged surface is ~90% of that of a mirror polished Mo sample. These findings provide different results than previous studies done with tungsten (W), and further help illustrate the complicated nature of how transient events of high heat loading in a tokamak environment might impact the performance and lifetime of PFCs in ITER and future DEMO devices (Ueda et al 2014 Fusion Eng. Des. 89 901–6).
核融合炉工学の進展は、現在、トカマク環境におけるプラズマ対向機器（PFC）の安定性に関する知識の不足によって妨げられている。通常運転中、高熱負荷事象が周期的に発生し、大量のエネルギーがPFC表面に付与される。同時に、核融合プラズマ中に存在する低エネルギー・ヘリウムイオンの照射により、PFC表面に「フェズ」と呼ばれる繊維状のナノ構造が合成され得る。この不均質な構造が過渡的な熱負荷に応じてどのように変形・進展するかを理解するため、パルスNd:YAGミリ秒レーザーを用いて、フェズ状モリブデン（Mo）表面に対するこれらの事象のシミュレーションを行った。評価は、ナノ構造の進展、粒子放出、および光学特性の変化という3つの指標に基づいて実施した。タイプI ELM（周辺局在モード）の想定範囲の上限に相当する条件での実験では、エネルギー密度1.5 MJ m⁻²のレーザーを200パルス照射した後、ヘリウム誘起ナノ構造が完全に消失することが確認された。その場質量損失測定により、表面から放出される粒子量はエネルギー密度の増加に伴って増大し、放出率はパルス数の増加に伴って上昇することが明らかになった。さらに、光学特性の測定は、Mo表面におけるフェズ密度の定性的な指標として有効であり、エネルギー密度1.5 MJ m⁻²で400パルス照射後の損傷表面の光学反射率は、鏡面研磨されたMo試料の約90%にまで低下した。これらの知見は、タングステン（W）を用いた従来の研究結果とは異なる挙動を示しており、トカマク環境における過渡的高熱負荷事象が、ITERおよび将来のDEMO装置におけるPFCの性能と寿命に与える影響の複雑さをさらに浮き彫りにするものである（Ueda et al 2014 Fusion Eng. Des. 89 901–6）。