Extrinsic impurity seeding is planned for ITER to avoid high heat fluxes to the tungsten divertor targets. Nevertheless, excessive sputtering by impurities would lead to a reduction in fusion power output and divertor lifetime. Unlike today's fusion devices, the entrainment of impurities is expected to play an increasing role in ITER's highly collisional near-surface plasma. Impurity entrainment refers to the acceleration of impurities with the plasma flow by collisional drag, leading to elevated impact energies. To investigate impurity entrainment under ITER-like divertor plasma conditions ( m−3, 5 eV), argon-seeded hydrogen plasmas were formed in the linear plasma generator Magnum-PSI. Doppler shifts in spatially-resolved emission profiles of argon (Ar II - 480.6 nm) and hydrogen (H - 486.1 nm) reveal the entrainment of seeded argon towards the upstream hydrogen velocity (∼9 cm from the surface), corresponding to ∼0.39 of the common-system sound speed. In addition, the sputtering yield of tungsten by argon bombardment for the argon-seeded hydrogen plasma was compared to a pure argon plasma by monitoring tungsten (W I - 400.9 nm) emission. These sputtering experiments reveal further entrainment of the argon impurities to ∼0.65 of the common-system sound speed at the sheath edge, leading to a large increase in their impact energy. Extrapolation of the Magnum-PSI results to ITER, using existing SOLPS-ITER simulations to determine the divertor plasma conditions, indicates more than an order of magnitude increase in gross erosion of the divertor targets due to impurity entrainment. However, the net erosion rate could still be kept under control if high re-deposition rates are achieved, which is treated in the companion paper (Cornelissen M.J.H. et al 2025 Nucl. Fusion65 026008). The combination of a low sputtering threshold energy and high impact energy of impurities constrains the fine balance between radiative cooling with impurity seeding and avoiding extensive divertor erosion.
外部不純物シーディングは、タングステンダイバータターゲットへの高い熱流束を回避するためにITERで計画されている。それにもかかわらず、不純物による過度のスパッタリングは、核融合出力とダイバータ寿命の低下につながるであろう。今日の核融合装置とは異なり、不純物のエントレインメントは、ITERの高衝突性の表面近傍プラズマにおいてますます重要な役割を果たすと期待されている。不純物エントレインメントとは、衝突抗力によってプラズマ流とともに不純物が加速され、その結果、衝突エネルギーが高くなることを指す。ITER類似のダイバータプラズマ条件（ m−3、 5 eV）における不純物エントレインメントを調査するため、アルゴンをシードした水素プラズマを線形プラズマ生成装置Magnum-PSIで生成した。空間分解されたアルゴン（Ar II - 480.6 nm）と水素（H - 486.1 nm）の発光プロファイルにおけるドップラーシフトは、シードされたアルゴンが上流の水素速度（表面から約9 cm）に向かってエントレインされることを示しており、これは共通系音速の約0.39に相当する。さらに、アルゴンシード水素プラズマにおけるアルゴン衝撃によるタングステンのスパッタ収率を、タングステン（W I - 400.9 nm）発光をモニタリングすることにより、純アルゴンプラズマと比較した。これらのスパッタリング実験により、シース端においてアルゴン不純物が共通系音速の約0.65までさらにエントレインされ、その結果、それらの衝突エネルギーが大幅に増加することが明らかになった。ダイバータプラズマ条件を決定するために既存のSOLPS-ITERシミュレーションを用いて、Magnum-PSIの結果をITERに外挿すると、不純物エントレインメントによりダイバータターゲットの総侵食が1桁以上増加することが示される。しかしながら、高い再堆積率が達成されれば、正味の侵食速度は依然として制御下に保たれ得る。これについては姉妹論文（Cornelissen M.J.H. et al 2025 Nucl. Fusion65 026008）で扱われている。低いスパッタリングしきいエネルギーと不純物の高い衝突エネルギーの組み合わせは、不純物シーディングによる放射冷却と広範なダイバータ侵食の回避との間の微妙なバランスを制約する。