The understanding and prediction of silicon carbide (SiC) material evolution exposed to SOL plasma conditions is of prime interest because SiC represents a promising main chamber wall plasma-facing material for next-step fusion devices (low hydrogenic diffusion, good mechanical and thermal properties under neutron irradiation). Gross and net Si erosion rates from SiC surfaces in contact with a well-diagnosed L-mode plasma in the DIII-D tokamak have been simulated and the surface concentrations of impurities have been tracked as a function of time. Coupled simulation of surface model and impurity transport demonstrates amorphization of crystalline SiC exposed to L-mode plasma due to the accumulation of displacement damages under ion irradiation. This affects the lifetime of SiC plasma facing components. Surface evolution is tightly coupled to impurity transport in the plasma and therefore needs to be integrated with impurity transport simulations to effectively predict Si erosion rates and sub-surface concentrations as a function of time. The simulation workflow couples a semi-analytical surface model to the impurity transport code GITR. The surface model is a homogeneous mixed-material model that tracks physical & chemical sputtering and reflection of impurities. Gross erosion is primarily influenced by the background plasma parameters and redeposition patterns are mainly influenced by the prompt redeposition due to the gyro-orbits of impurity ions. Although crystalline form of SiC is preferable for fusion wall applications because of resistance to neutron irradiation, this work indicates that crystalline SiC will undergo amorphization under D plasma contact with implications of higher sputtering and fuel retention. These results direct us to explore the effects of amorphization on crystalline SiC and further the physics basis of SiC usage as first wall material for fusion environments.
SOLプラズマ条件に曝露された炭化ケイ素（SiC）材料の進化の理解と予測は、SiCが次世代核融合装置の主容器壁プラズマ対向材料として有望であるため（低水素同位体拡散、中性子照射下での優れた機械的・熱的特性）、極めて重要である。DIII-Dトカマクにおいて十分に診断されたLモードプラズマと接触するSiC表面からのSiのグロス侵食速度およびネット侵食速度がシミュレーションされ、不純物の表面濃度が時間の関数として追跡された。表面モデルと不純物輸送の連成シミュレーションは、イオン照射下での変位損傷の蓄積により、Lモードプラズマに曝露された結晶質SiCの非晶質化を示す。これはSiCプラズマ対向部品の寿命に影響を与える。表面の進化はプラズマ中の不純物輸送と密接に結合しており、したがって時間の関数としてSi侵食速度と表面下濃度を効果的に予測するためには、不純物輸送シミュレーションと統合される必要がある。シミュレーションワークフローは、半解析的表面モデルを不純物輸送コードGITRに結合する。表面モデルは、物理的および化学的スパッタリングと不純物の反射を追跡する均質混合材料モデルである。グロス侵食は主に背景プラズマパラメータに影響され、再堆積パターンは主に不純物イオンのジャイロ軌道による即時再堆積に影響される。SiCの結晶形態は中性子照射への耐性のために核融合壁用途として好ましいが、この研究は、結晶質SiCがDプラズマ接触下で非晶質化を起こし、より高いスパッタリングと燃料保持の含意を伴うことを示している。これらの結果は、結晶質SiCに対する非晶質化の影響を調査し、核融合環境における第一壁材料としてのSiC使用の物理的基盤をさらに発展させることへと我々を導く。