As an unavoidable byproduct of deuterium–tritium fusion, helium (He), if uncontrolled, accumulates in core plasma and degrades reactor performance. Furthermore, the presence of helium impurities can have a significant impact on the boundary plasma. This study systematically investigates He concentration effects on divertor detachment behavior, He exhaust and tungsten (W) sputtering using SOLPS-ITER simulations. It reveals that with increasing He concentration, the density threshold of divertor detachment rises slightly. This can be attributed to He impurities diluting deuterium (D) particles, which reduces the D neutrals densities in divertor region and consequently affects their collisional processes and decreases the energy dissipation. The He ash enrichment in divertor region increases with both upstream electron density and He concentration, thereby enhancing exhaust efficiency. This is primarily ascribed to the alteration of He ion transport mechanism and the relative position between the He ion ionization source and the stagnation point of He ion poloidal velocity. In addition, the W sputtering at the divertor target was investigated. The W sputtering flux increases with rising helium concentration. Moreover, the simulation results indicate the shifted Maxwellian energy distribution of incident ions significantly influences the W sputtering flux, especially under high-density conditions. Therefore, the energy distribution of incident ions should be incorporated into the calculations of the W sputtering flux.
重水素–トリチウム核融合の避けられない副生成物として、ヘリウム（He）は、制御されない場合、コアプラズマに蓄積し、炉性能を低下させる。さらに、ヘリウム不純物の存在は、境界プラズマに有意な影響を与え得る。本研究では、SOLPS-ITERシミュレーションを用いて、ダイバータデタッチメント挙動、He排気、タングステン（W）スパッタリングに対するHe濃度の影響を系統的に調査する。これは、He濃度の増加に伴い、ダイバータデタッチメントの密度閾値がわずかに上昇することを明らかにする。これは、He不純物が重水素（D）粒子を希釈することが、ダイバータ領域におけるD中性粒子密度を減少させ、結果としてそれらの衝突過程に影響を与え、エネルギー散逸を低下させることに起因する。ダイバータ領域におけるHe灰の濃縮は、上流電子密度とHe濃度の両方とともに増加し、それによって排気効率を向上させる。これは主に、Heイオン輸送機構の変化と、Heイオン電離源とHeイオンのポロイダル速度の淀み点との間の相対位置に起因する。さらに、ダイバータ標的におけるWスパッタリングを調査した。Wスパッタリングフラックスは、ヘリウム濃度の上昇とともに増加する。さらに、シミュレーション結果は、入射イオンのシフトしたマクスウェルエネルギー分布が、特に高密度条件下でWスパッタリングフラックスに有意な影響を与えることを示している。したがって、入射イオンのエネルギー分布は、Wスパッタリングフラックスの計算に組み込まれるべきである。