In this work, we exploit nanosecond laser irradiation as a compact solution for investigating the thermomechanical behavior of tungsten materials under extreme thermal loads at the laboratory scale. Heat flux factor thresholds for various thermal effects, such as melting, cracking and recrystallization, are determined under both single and multishot experiments. The use of nanosecond lasers for mimicking thermal effects induced on W by fusion-relevant thermal loads is thus validated by direct comparison of the thresholds obtained in this work and the ones reported in the literature for electron beams and millisecond laser irradiation. Numerical simulations of temperature and thermal stress performed on a 2D thermomechanical code are used to predict the heat flux factor thresholds of the different thermal effects. We also investigate the thermal effect thresholds of various nanostructured W coatings. These coatings are produced by pulsed laser deposition, mimicking W coatings in tokamaks and W redeposited layers. All the coatings show lower damage thresholds with respect to bulk W. In general, thresholds decrease as the porosity degree of the materials increases. We thus propose a model to predict these thresholds for coatings with various morphologies, simply based on their porosity degree, which can be directly estimated by measuring the variation of the coating mass density with respect to that of the bulk.
本研究では、ナノ秒レーザー照射を、実験室規模でタングステン材料の極端な熱負荷下における熱機械的挙動を調査するためのコンパクトな解決策として利用する。溶融、割れ、再結晶などの様々な熱効果に対する熱流束因子閾値を、単発および多発の両方の実験条件下で決定する。核融合関連の熱負荷によってWに誘起される熱効果を模擬するためのナノ秒レーザーの使用は、本研究で得られた閾値と、電子ビームおよびミリ秒レーザー照射について文献で報告されている閾値との直接比較によって検証される。2D熱機械コードで実施した温度と熱応力の数値シミュレーションを用いて、様々な熱効果の熱流束因子閾値を予測する。また、様々なナノ構造Wコーティングの熱効果閾値も調査する。これらのコーティングはパルスレーザー堆積によって作製され、トカマク内のWコーティングおよびW再堆積層を模擬している。すべてのコーティングは、バルクWに比べて低い損傷閾値を示す。一般に、閾値は材料の多孔度が増加するにつれて低下する。そこで我々は、様々な形態のコーティングについて、多孔度のみに基づいてこれらの閾値を予測するモデルを提案する。この多孔度は、バルクの質量密度に対するコーティングの質量密度の変化を測定することによって直接推定できる。