Tungsten (W) is one of the most promising plasma-facing materials for future fusion devices. Although its melting point is the highest among all metals, it still has great risk of melting under extremely high plasma heat fluxes, which is a big concern for ITER and future reactors. Actively cooled W plasma-facing components (PFCs) with both monoblocks and flat-type structure have been successfully installed in the lower divertor of the EAST tokamak since 2021, and provide a good opportunity for direct comparison of the damage mechanism for the two types of PFCs. Various in situ melting phenomena on the lower divertor have been observed by CCD cameras, which have been further verified by post-mortem inspections. Severe melting and even exfoliation of the edge-beveled W plates were observed on some W/Cu flat-type components at horizontal outer targets. Many droplets were ejected during long-pulse operations, which induced a significant increase of W impurities and total irradiation in the core plasma, and thus greatly deteriorated the plasma performance and even caused disruptions. Two different shaping structures of flat-type PFCs show different positions of melting and the corresponding mechanisms. Slight melting was found on the sharp leading edges of W/Cu monoblocks between cassette modules (inter-CM) for horizontal targets with small droplet ejection, which was much improved compared to that observed on the upper W divertor, illustrating that the application of a large-sized bevel chamfer inter-CM was generally effective. In addition, an unexpected melting phenomenon on the dome plate was attributed to the extreme transient heat flux during disruption with runaway electrons. The application of both types of W/Cu PFCs for the divertor provides important experiences and lessons for the engineering design and optimization of divertor PFCs in future fusion devices.
タングステン (W) は、将来の核融合装置にとって最も有望なプラズマ対向材料の1つである。その融点はすべての金属の中で最も高いが、それでも極端に高いプラズマ熱流束下では溶融する大きなリスクがあり、これはITERおよび将来の炉にとって大きな懸念事項である。モノブロックとフラット型構造の両方を備えた能動冷却Wプラズマ対向コンポーネント (PFC) は、2021年以降EASTトカマクの下部ダイバータに設置に成功しており、2種類のPFCの損傷メカニズムを直接比較する良い機会を提供している。下部ダイバータにおけるさまざまなその場溶融現象がCCDカメラによって観察され、さらに事後検査によって検証されている。水平外側ターゲット上の一部のW/Cuフラット型コンポーネントで、エッジベベル加工されたW板の激しい溶融、さらには剥離が観察された。長時間パルス運転中に多くの液滴が放出され、コアプラズマ中のW不純物と全放射の大幅な増加を引き起こし、それによってプラズマ性能が大幅に劣化し、さらにはディスラプションを引き起こすこともあった。フラット型PFCの2つの異なる形状構造は、異なる溶融位置と対応するメカニズムを示した。水平ターゲットのカセットモジュール間 (inter-CM) のW/Cuモノブロックの鋭いリーディングエッジには軽度の溶融が見られ、少量の液滴放出を伴ったが、これは上部Wダイバータで観察されたものよりも大幅に改善されており、大型のベベル面取りinter-CMの適用が概して有効であることを示している。さらに、ドーム板上の予期しない溶融現象は、逃走電子を伴うディスラプション中の極端な過渡熱流束に起因するものだった。ダイバータへの両タイプのW/Cu PFCの適用は、将来の核融合装置におけるダイバータPFCの工学的設計と最適化に重要な経験と教訓を提供する。