Tungsten (W) is considered the primary material for the divertor and first wall in future fusion reactors. Under the irradiation of helium (He) plasma, a porous layer named ‘fuzz’ forms on W surface, accompanied by changes in its physical properties. In this paper, the early stage of fuzz is constructed using a molecular dynamics (MD) and Monte Carlo (MC) hybrid method. It provides a more physically realistic structure by allowing the nanostructure to emerge naturally from the interplay of atomic-scale processes. The generated fuzz structures are subsequently employed to evaluate the changes in surface properties, including both sputtering and hydrogen (H) permeation/retention. Simulation results show that the fuzz layer ceases to grow once it reaches a certain thickness. Further analysis indicates that the formation of fuzz structure can suppress the diffusion and accumulation of He from the surface to bulk material. The simulation results also indicate that higher ion energy results in greater He retention, which consequently leads to an increase in the porosity of the fuzz layer. Simulations of He atoms cascades show that, although the energy directly transferred from He atoms (<100 eV) to W atoms is lower than the sputtering threshold energy (∼8.9 eV), W surface modifications and sputtering can still occur via adatoms formation. Compared with flat W surface, fuzzy surface tends to recapture the sputtering W atoms, exhibiting lower net sputtering yield under the same He irradiation conditions. The bombardment by He atoms can also promote the curling of fuzz structures, which may subsequently influence W surface diffusion. Finally, the He–H hybrid simulations indicate that the formation of fuzz structure significantly suppresses the H permeation and retention in the W bulk area and enhances H retention on W surface.
タングステン (W) は、将来の核融合炉におけるダイバータおよび第一壁の主要材料と考えられている。ヘリウム (He) プラズマの照射下では、W表面に「fuzz」と呼ばれる多孔質層が形成され、それに伴ってその物理的特性が変化する。本論文では、分子動力学 (MD) とモンテカルロ (MC) のハイブリッド法を用いて、fuzzの初期段階を構築する。これにより、ナノ構造が原子スケールのプセスロの相互作用から自然に出現することを可能にし、より物理的に現実的な構造が得られる。生成されたfuzz構造は、その後、スパッタリングおよび水素 (H) の透過/保持の両方を含む表面特性の変化を評価するために使用される。シュレーション結果は、fuzz層が一定の厚さに達すると成長を停止することを示している。さらなる分析は、fuzz構造の形成が、表面からバルク材料へのHeの拡散と蓄積を抑制できることを示している。シュレーション結果はまた、より高いイオンエネルギーがより大きなHe保持をもたらし、その結果としてfuzz層の多孔度の増加につながることを示している。He原子カスケードのシウュレーションは、He原子からW原子に直接伝達されるエネルギー (<100 eV) がスパッタリング閾値エネルギー (∼8.9 eV) よりも低いにもかかわらず、アドアトム形成を介してW表面の改質とスパッタリングが依然として発生し得ることを示している。平坦なW表面と比較して、fuzzy表面はスパッタリングされたW原子を再捕獲する傾向があり、同じHe照射条件下でより低い正味スパッタリング収率を示す。He原子による衝撃はまた、fuzz構造のカールを促進し、それがその後W表面拡散に影響を与える可能性がある。最後に、He–Hハイブリッドシウュレーションは、fuzz構造の形成がWバルク領域におけるHの透過と保持を大幅に抑制し、W表面でのH保持を増強することを示している。