In today's nuclear fusion devices, erosion of high-Z metallic plasma-facing materials (PFMs) is mainly caused by physical sputtering. That is, by the exchange of energy between plasma ions and the atoms in the walls. In most of the numerical codes currently in use impinging plasma is approximated as a fluid. By averaging the incident particles' energy distribution the high-energy population of the eroded material is underestimated. For heavy materials such as W, high-energy eroded particles tend to ionize far from the wall and they are less affected by the sheath electric field hence, not being attracted back to the wall, they have a higher chance to contaminate the core plasma. This could in turn result in an underestimation of the net erosion sources. In this work, a semi-analytical model was developed to include the energy distribution of the incident particles. Then, by Monte Carlo method, the net erosion of tungsten from a smooth PFM was calculated. The results show that the kinetic description in energy is important only for incident particles ionized once. For instance, it is particularly important for plasma ions such as Deuterium. It is seen that Deuterium contribution to the W net sources is not always negligible if compared to light impurities or to tungsten self-sputtering in the range of plasma parameters tested. Finally, results show that the difference between the fluid and kinetic models becomes more pronounced for high-screening plasma conditions.
今日の核融合装置において、高Z金属製プラズマ対向材料（PFM）の損耗は主に物理スパッタリングによって引き起こされる。すなわち、プラズマイオンと壁面原子との間のエネルギー交換によるものである。現在使用されているほとんどの数値コードでは、入射プラズマは流体として近似されている。入射粒子のエネルギー分布を平均化することにより、損耗材料の高エネルギー成分は過小評価される。Wのような重い材料では、高エネルギーの損耗粒子は壁から遠ざかって電離する傾向があり、シース電場の影響を受けにくいため、壁に引き戻されず、コアプラズマを汚染する可能性が高くなる。これは結果として、正味の損耗源を過小評価することにつながり得る。本研究では、入射粒子のエネルギー分布を考慮した半解析モデルを開発した。次に、モンテカルロ法により、平滑なPFMからのタングステンの正味損耗を計算した。結果は、運動論的記述がエネルギー的に重要となるのは、1回だけ電離する入射粒子の場合のみであることを示している。例えば、重水素のようなプラズマイオンに対して特に重要である。試験したプラズマパラメータの範囲では、重水素の寄与は、軽不純物やタングステン自身のスパッタリングと比較して、常に無視できるわけではないことが示された。最後に、結果は、流体モデルと運動論的モデルの差が、シールディング効果の高いプラズマ条件でより顕著になることを示している。