The lifetime of plasma-facing components (PFCs) will have a strong influence on the efficiency and viability of future fusion power plants. However, the PFCs suffer from thermal stresses and physical sputtering induced by edge-localized modes (ELMs). ELMs in future fusion devices are expected to occur with a high plasma density compared to current day devices such that coupling of recycling neutrals and plasma ions will be strong. Because of the scale hierarchy of future fusion devices compared to the present ones, the influence of this coupling is difficult to predict. Here, we investigate the ELM-like hydrogen plasma induced heat loads on tungsten in the linear device Magnum-PSI, producing ∼1 ms plasma pulses with electron densities up to 3.5 × 1021 m−3. A combination of time-resolved Thomson scattering and coherent Thomson scattering was used to acquire plasma parameters in front of the target. Moreover, a fast infrared camera coupled to finite element thermal analyses allowed to determine the deposited heat loads on the target. We found a significant inconsistency between the plasma power calculated with a conventional collisionless sheath model and the absorbed power by the target. Moreover, plasma stagnation upstream and plasma cooling downstream were observed during the pulses. The observations are explained based on ionization and elastic collisions between the recycling neutrals and plasma ions. The results highlight the impact of plasma-neutral interaction on the power deposition behavior of ELM-like hydrogen plasma on tungsten.
プラズマ対向機器（PFC）の寿命は、将来の核融合発電プラントの効率と実現可能性に大きな影響を与える。しかし、PFCはエッジ局在モード（ELM）によって誘起される熱応力と物理スパッタリングにさらされる。将来の核融合装置におけるELMは、現在の装置と比較して高いプラズマ密度で発生すると予想され、リサイクリング中性粒子とプラズマイオンの結合が強くなると考えられる。将来の装置と現在の装置のスケール階層の違いにより、この結合の影響を予測することは困難である。本研究では、線形装置Magnum-PSIにおいて、パルス幅約1 ms、電子密度最大3.5 × 10²¹ m⁻³のELM様水素プラズマパルスをタングステンターゲットに照射した。時間分解トムソン散乱とコヒーレントトムソン散乱を組み合わせて、ターゲット前方のプラズマパラメータを計測した。さらに、高速赤外線カメラと有限要素熱解析を組み合わせて、ターゲットに堆積した熱負荷を決定した。その結果、従来の無衝突シースモデルから計算されたプラズマパワーと、ターゲットが吸収したパワーの間に有意な不一致が観測された。さらに、パルス照射中に上流でのプラズマの減速（スタグネーション）と下流でのプラズマ冷却が観測された。これらの観測結果は、リサイクリング中性粒子とプラズマイオンの間の電離衝突と弾性衝突に基づいて説明される。本研究の結果は、ELM様水素プラズマのタングステンへのパワー堆積挙動におけるプラズマ-中性粒子相互作用の影響を明らかにするものである。