This paper presents the first three-dimensional (3D) particle-in-cell (PIC) simulations of castellated plasma-facing components (PFCs) in tokamaks. Special focus is given to crossings between poloidal and toroidal gaps where elevated heat loads are expected to occur. Moreover, the crossings may affect the plasma penetration into the gaps between tiles. Both of these problems are of high importance for ITER when estimating the lifetime of its PFCs. Localized heat loads can potentially lead to damage of the tiles, while the plasma penetration is related to fuel retention in the gaps due to redeposition of eroded wall material. This problem has previously been targeted by 2D PIC simulations using our in-house code SPICE2, where toroidal and poloidal gaps (PGs) had to be simulated separately. This paper presents the results of a full 3D3V code SPICE3, which allows us to simulate a more realistic geometry of the tiles including the gap crossings and includes the complete E × B drift, which could not be simulated in 2D. The results of self-consistent simulations show that the crossing acts as a transport channel for electrons, allowing them to enter the plasma shadowed region in PGs. As a consequence, the potential near the gap entrance is modified allowing more ions to flow deep inside the gap. The combination of the plasma flow and an E × B drift in the crossing directs ions onto one tile corner, which receives elevated heat load.
本論文は、トカマクにおけるカステレーション加工されたプラズマ対向部品（PFC）の初の3次元（3D）粒子インセル（PIC）シミュレーションを提示する。特に、ポロイダルギャップとトロイダルギャップの交差部に焦点を当てており、そこでは高い熱負荷が発生すると予想される。さらに、この交差部はタイル間のギャップへのプラズマ浸入に影響を与える可能性がある。これらの問題は両方とも、ITERのPFCの寿命を評価する上で極めて重要である。局所的な熱負荷はタイルの損傷につながる可能性があり、一方、プラズマ浸入は、侵食された壁材料の再堆積によるギャップ内の燃料保持に関連する。この問題はこれまで、我々の独自コードSPICE2を用いた2次元（2D）PICシミュレーションによって取り組まれてきたが、そこではトロイダルギャップ（TG）とポロイダルギャップ（PG）を別々にシミュレートする必要があった。本論文では、3次元コードSPICE3による完全な結果を提示する。SPICE3により、ギャップ交差部を含むより現実的なタイル形状のシミュレーションが可能となり、2Dではシミュレートできなかった完全なE×Bドリフトも含まれる。自己無撞着シミュレーションの結果は、交差部が電子の輸送チャネルとして機能し、電子がPGのプラズマ遮蔽領域に入ることを可能にすることを示している。その結果、ギャップ入口付近の電位が変化し、より多くのイオンがギャップ深部へ流入するようになる。プラズマ流と交差部におけるE×Bドリフトの組み合わせにより、イオンはタイルの一角に向かって導かれ、そこに高い熱負荷が集中する。