Tungsten and tungsten-based alloys are the leading material choices for the divertor plasma facing components (PFCs) in future fusion reactors. Recrystallization may occur when they undergo high heat loads, drastically modifying the predesigned grain structures and the associated desired mechanical properties. However, the influence of recrystallization on the thermal fatigue behavior of tungsten PFCs still remains unclear. In this study, ITER-grade tungsten was simultaneously exposed to a high-flux hydrogen plasma (∼5 × 1024 m−2 s−1) and high-cycle (104–105) transient heat loads in the linear plasma device Magnum-PSI. By correlating the surface temperature distribution, obtained by analyzing temperature-, wavelength-, and surface-dependent emissivity, and the surface modifications of the plasma exposed specimens, the crack initiation heat flux factor threshold was found to be ∼2 MW m−2 s0.5 (equivalently, ∼0.07 MJ m−2 for a 1 ms pulse). Based on electron backscatter diffraction analyses of cross-sections near the crack initiation sites, faster recrystallization kinetics near the surface compared to literature was observed and the surface cracks preferentially initiated at high angle grains boundaries (HAGBs). Upon recrystallization, the yield strength decreases which entails increasing cyclic plastic strains. The HAGBs fraction is increased, which constrains the transfer of plastic strains at grain boundaries. The recrystallization decreases the dislocation density, which promotes heterogeneous deformation. All these mechanisms explain the reduced crack initiation threshold of recrystallized tungsten compared to its as-received counterpart. The results provide new insights into the structural failure mechanisms in tungsten PFCs exposed to extreme fusion plasmas.
タングステンおよびタングステン基合金は、将来の核融合炉におけるダイバータ用プラズマ対向機器（PFCs）の主要な材料候補である。高熱負荷を受けると再結晶が生じ、設計された結晶粒組織とそれに伴う所望の機械的特性が大幅に変化する可能性がある。しかしながら、タングステンPFCsの熱疲労挙動に及ぼす再結晶の影響は依然として明らかになっていない。本研究では、ITERグレードのタングステンを、直線型プラズマ装置Magnum-PSIにおいて、高フラックス水素プラズマ（∼5 × 10²⁴ m⁻² s⁻¹）と高サイクル（10⁴〜10⁵）の過渡熱負荷に同時に曝露した。温度・波長・表面依存性のある放射率の解析により得られた表面温度分布と、プラズマ曝露試験片の表面改質を関連付けることにより、き裂発生熱流束係数しきい値は約2 MW m⁻² s⁰·⁵（1 msパルスで約0.07 MJ m⁻²に相当）であることが見出された。き裂発生箇所近傍の断面の電子後方散乱回折解析に基づき、文献と比較して表面近傍での再結晶速度が速いことが観察され、表面き裂は高角粒界（HAGBs）で優先的に発生した。再結晶により降伏強度が低下し、それに伴って繰り返し塑性ひずみが増加する。HAGBs分率が増加すると、結晶粒界での塑性ひずみの伝達が抑制される。再結晶は転位密度を低下させ、不均一変形を促進する。これらのメカニズムはすべて、再結晶タングステンのき裂発生しきい値が、受入れまま材と比較して低下することを説明する。これらの結果は、過酷な核融合プラズマに曝露されたタングステンPFCsの構造破壊メカニズムに新たな知見をもたらす。