Hydrogen-induced cracking (HiC) or blistering is a commonly observed feature in plasma-loaded material surfaces. HiC exhibits a strong dependence on the irradiation parameters, such as incident flux and fluence, particle energy, and sample temperature. However, the underlying physics of this process is still not understood. Focusing on HiC with intragranular cavities in tungsten (W) exposed to deuterium (D) plasma, we apply a one-dimensional (1D) flux-balance model and further propose the crucial role of the solute D distribution in the subsurface region for initiating HiC formation in plasma-loaded surfaces. Within this proposal, HiC features previously observed only under high-flux (~1024 D m−2 s−1), elevated-temperature (~500 K) exposure conditions—the coexistence of protrusions with intragranular cavities and small-sized, dome-shaped blisters with intergranular cracking at the surfaces—were reproduced in our low-flux experiments (~1020 D m−2 s−1) by loading W samples at low sample temperatures (230 K). The presence of protrusions in low-flux experiments is attributed to the comparable local solute D distribution in the corresponding blistering-relevant depth in both types of D plasma exposure. Applying the 1D flux-balance model to the interpretation of HiC formation in plasma-loaded surfaces, the present work allows us to further explore the underlying physics of HiC formation under well-defined experimental conditions.
水素誘起割れ（HiC）またはブリスターは、プラズマ負荷材料表面で一般的に観察される特徴である。HiCは、入射フラックスとフルエンス、粒子エネルギー、試料温度などの照射パラメータに強く依存する。しかしながら、このプロセスの根底にある物理はまだ理解されていない。重水素（D）プラズマに曝露されたタングステン（W）における粒内キャビティを伴うHiCに着目し、我々は一次元（1D）フラックスバランスモデルを適用し、プラズマ負荷表面におけるHiC形成を開始するための表面直下領域における溶質D分布の重要な役割をさらに提案する。この提案において、高フラックス（~1024 D m−2 s−1）、高温（~500 K）曝露条件下でのみこれまで観察されていたHiCの特徴、すなわち粒内キャビティを伴う突起と、表面での粒界割れを伴う小型のドーム状ブリスターの共存は、低温（230 K）でW試料を負荷することにより、我々の低フラックス実験（~1020 D m−2 s−1）で再現された。低フラックス実験における突起の存在は、両タイプのDプラズマ曝露において、対応するブリスター関連深さにおける局所的な溶質D分布が同等であることに起因する。プラズマ負荷表面におけるHiC形成の解釈に1Dフラックスバランスモデルを適用することにより、本研究成果は、明確に定義された実験条件下でのHiC形成の根底にある物理をさらに探求することを可能にする。