Tungsten is the leading plasma-facing material (PFM) for nuclear fusion applications. It faces severe operating conditions, including intense hydrogen plasma exposure and high-cycle transient heat loading, which create various defects in tungsten. Additionally, defects have often already been introduced during manufacturing. Little is understood regarding the synergistic effect of such defects on the lifetime of tungsten so far. Here, we investigate the influence of porosity and blistering on the thermal fatigue behavior of tungsten. The pores resulted from powder metallurgy whereas the blistering was induced by hydrogen plasma exposure. Both conditions were subjected to transient heat loading by a high-power pulsed laser. The exposure was performed in the linear plasma generator Magnum-PSI, which closely mimics the expected particle and heat flux in the world's largest fusion experiment, ITER. Both porosity and blistering degraded the fatigue resistance of tungsten. Pores tended to aggregate at high-angle grain boundaries (HAGBs) and assisted crack initiation therein, as revealed by focused ion beam cross-sectioning and electron backscatter diffraction (EBSD) analysis. The blisters were characteristic of subsurface cavities, which were located at a depth close to the surface roughness induced by transient heat loading. The stress concentration at the tip of the cavities is considered to promote crack initiation. The results highlight the necessity of a 'life cycle assessment' of the tungsten PFM for nuclear fusion reactors.
タングステンは核融合用途における主要なプラズマ対向材料（PFM）である。タングステンは、激しい水素プラズマ曝露や高サイクル過渡熱負荷を含む過酷な動作条件に直面し、これらはタングステンに様々な欠陥を生じさせる。さらに、欠陥は製造中にすでに導入されていることが多い。これまでのところ、そのような欠陥がタングステンの寿命に及ぼす相乗効果についてはほとんど理解されていない。ここでは、ポロシティとブリスター形成がタングステンの熱疲労挙動に及ぼす影響を調査する。ポアは粉末冶金に起因するものであり、一方ブリスター形成は水素プラズマ曝露によって誘起されたものである。両条件は、高出力パルスレーザーによる過渡熱負荷に供された。曝露は線形プラズマ発生装置Magnum-PSIにおいて実施され、これは世界最大の核融合実験であるITERで予想される粒子束および熱流束を厳密に模擬するものである。ポロシティとブリスター形成の両方がタングステンの疲労抵抗性を低下させた。ポアは大角粒界（HAGBs）に凝集する傾向があり、集束イオンビーム断面加工および電子後方散乱回折（EBSD）解析によって明らかにされたように、そこで生じるき裂の発生を助長した。ブリスターは表面下空洞に特徴的であり、それらは過渡熱負荷によって誘起された表面粗さに近い深さに位置していた。空洞の先端における応力集中がき裂発生を促進すると考えられる。これらの結果は、核融合炉用タングステンPFMの「ライフサイクル評価」の必要性を浮き彫りにする。