The permeation and retention of hydrogen isotopes in nuclear materials is critical to issues such as hydrogen embrittlement, tritium self-sufficiency, and radioactive safety in fusion reactors. Tungsten, the primary candidate for plasma-facing materials, undergoes high-flux helium plasma irradiation in fusion devices that may alter hydrogen isotope behaviors. However, few works have focused on the effects of helium plasma–induced surface modification on hydrogen permeation. This study investigates the effects of helium-induced surface fuzz structure on deuterium permeation through tungsten. Our findings indicate that the surface fuzz structure can significantly enhance deuterium permeation through tungsten, with the degree of enhancement positively correlated to both the thickness of the fuzz structure and the permeation temperature. In addition, as the temperature decreases, the contribution of the tungsten oxide layer covering the nanotendrils that hinder deuterium diffusion gradually becomes stronger, resulting in the weakening of the overall permeation enhancement. The influence of the fuzz characteristics on deuterium transport properties is discussed. This work implies that helium plasma–induced surface modification can considerably the deuterium transport behaviors in tungsten.
核材料における水素同位体の透過と保持は、水素脆化、トリチウム自給、核融合炉における放射線安全性などの問題にとって重要である。プラズマ対向材料の主要候補であるタングステンは、核融合装置において高フラックスのヘリウムプラズマ照射を受けるが、これにより水素同位体挙動が変化する可能性がある。しかしながら、ヘリウムプラズマ誘起表面改質が水素透過に及ぼす影響に焦点を当てた研究はほとんどない。本研究では、ヘリウム誘起表面ファズ構造がタングステン中の重水素透過に及ぼす影響を調査する。我々の結果は、表面ファズ構造がタングステン中の重水素透過を有意に促進し得ることを示しており、その促進の程度はファズ構造の厚さおよび透過温度の両方と正の相関を示す。さらに、温度が低下するにつれて、重水素の拡散を妨げるナノテンドリルを覆う酸化タングステン層の寄与が徐々に強くなり、その結果、全体としての透過促進は弱まる。ファズ特性が重水素輸送特性に及ぼす影響について考察する。本研究は、ヘリウムプラズマ誘起表面改質がタングステン中の重水素輸送挙動をかなり変化させ得ることを示唆する。