With great power comes great challenges. For nuclear fusion, the holy grail of energy, taming the flame of a miniature star in a solid container remains one of the most fundamental challenges. A tungsten armour for the solid container marks a temporary triumph—a solution adopted by the world's largest fusion experiment, ITER—but may be insufficient for future challenges. High-entropy alloys (HEAs), which are characteristic of a massive compositional space, may bring new solutions. Here, we explore their potential as plasma-facing materials (PFMs) with a prototype W57Ta21V11Ti8Cr3 HEA that was designed by exploiting the natural-mixing tendency among low-activation refractory elements. Revealed by x-ray diffraction analysis and energy-dispersive x-ray spectroscopy, it predominantly consists of a single bcc-phase but with V, Ti, and Cr segregation to grain boundaries and at precipitates. Its yield strength improves ∼60% at room temperature and oxidation rate reduces ∼6 times at 1273 K, compared with conventionally used W. The Ti–V–Cr rich segregations and the formed CrTaO4 compound contribute to the improved oxidation resistance. However, the Ti–V–Cr rich segregations, along with the decreasing valence-electron concentration of the matrix by the addition of Ta, V and Ti elements, considerably increase the deuterium retention of the W57Ta21V11Ti8Cr3 HEA to ∼675 multiples of recrystallized W. Moreover, its thermal conductivity decreases, being ∼40% of W at 973 K. However, the maximum tolerable steady-state heat load is still ∼84% of W because of its exceedingly high yield strength at elevated temperatures. Overall, despite being preliminary, we expect HEAs to play an important role in the development of advanced PFMs, for their disadvantages are likely to be compensated by their advantages or be overcome by composition optimization.
大きな力には大きな課題が伴う。核融合、すなわちエネルギーの聖杯にとって、固体容器内で miniature star の炎を飼いならすことは、依然として最も根本的な課題の一つである。固体容器用のタングステン装甲は、一時的な勝利—世界最大の核融合実験装置であるITERが採用した解決策—を示すものであるが、将来の課題には不十分かもしれない。巨大な組成空間を特徴とする高エントロピー合金（HEA）は、新たな解決策をもたらす可能性がある。ここでは、低放射化耐火元素間の自然混合傾向を利用して設計されたプロトタイプW57Ta21V11Ti8Cr3 HEAを用いて、プラズマ対向材料（PFM）としての可能性を探る。X線回折分析とエネルギー分散型X線分光法により明らかにされたところによると、これは主に単一のbcc相からなるが、V、Ti、Crは粒界および析出物に偏析している。その降伏強度は室温で従来使用されているWと比較して約60%向上し、1273 Kでの酸化速度は約6倍低下する。Ti–V–Crリッチ偏析および形成されたCrTaO4化合物が、酸化抵抗性の向上に寄与している。しかしながら、Ti–V–Crリッチ偏析は、Ta、V、Ti元素の添加によるマトリックスの価電子濃度の低下とともに、W57Ta21V11Ti8Cr3 HEAの重水素保持を再結晶Wの約675倍にまで大幅に増加させる。さらに、その熱伝導率は低下し、973 KではWの約40%となる。しかしながら、高温における極めて高い降伏強度により、最大許容定常熱負荷は依然としてWの約84%である。全体として、予備的ではあるものの、HEAは高度なPFMの開発において重要な役割を果たすことが期待されると考える。なぜなら、その欠点は利点によって補償されるか、組成最適化によって克服される可能性が高いからである。