Tritium retention in plasma-facing materials is a critical issue that can significantly impact the long-term and steady-state operation of fusion devices. The experiments conducted in the laboratory device MIES have confirmed that the presence of the tungsten (W) nanostructure (called 'fuzz') leads to a substantial retention of hydrogen isotopes within W fuzz layer. This observation motivates us to conduct dedicated modeling to investigate the influence of W nanostructures on deuterium (D) retention using the three-dimensional kinetic Monte Carlo code SURO-FUZZ. The SURO-FUZZ code offers a great flexibility in generating diverse microscopic structures of the W fuzzy surface through the quartet structure generation set (QSGS) approach, which allows us to explore the effects of the pore size and shape on D retention. In this study, several different W nanostructures generated by QSGS approach are utilized to conduct a comprehensive comparison between MIES experiments and SURO-FUZZ simulations. It is demonstrated that the simulated D retention can be brought into a reasonable agreement with the experimental data. On this basis, predictive estimations of D retention on EAST and ITER have been performed with SURO-FUZZ modeling. The simulation results indicate that the total D retention induced by W fuzz remains well below the administrative limit of 700 g.
実験装置MIESで実施された実験により、タングステン(W)ナノ構造(「ファズ」と呼ばれる)の存在がWファズ層内への水素同位体の顕著な保持をもたらすことが確認された。この観察結果は、三次元キネティックモンテカルロコードSURO-FUZZを用いてWナノ構造が重水素(D)保持に及ぼす影響を調査するための専用モデリングを実施する動機を与える。SURO-FUZZコードは、quartet structure generation set (QSGS)法を通じてWファズ表面の多様な微視的構造を生成する際に高い柔軟性を提供し、細孔のサイズと形状がD保持に及ぼす影響を調査することを可能にする。本研究では、QSGS法によって生成されたいくつかの異なるWナノ構造を用いて、MIES実験とSURO-FUZZシミュレーションとの包括的な比較を実施した。シミュレートされたD保持は実験データと合理的に一致させ得ることが実証された。これに基づき、SURO-FUZZモデリングを用いてEASTおよびITERにおけるD保持の予測評価が実施された。シミュレーション結果は、Wファズによって誘起される総D保持が管理上の制限値700 gを十分に下回ることを示している。