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Contents
Part II Basic Processes in PMI
4 Responses of Plasma-Facing Surface to Power Load Given
by Radiation and Energetic Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 Energy Loss Processes of Energetic Particles Injected
in a Solid Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3 Emission of Ions and Neutrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.1 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3.2 Physical Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.3 Chemical Sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.4 Ion-induced Desorption and Radiation-Enhanced
Sublimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 Emission of Electrons and Photons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.1 Electron Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.2 Photon Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5 Energy Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.6 Reemission of Incident Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.6.1 Reemission of Hydrogen (Fuel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6.2 Reemission of Inert Gas Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.7 Interaction of Released Particles with Photons
and Electrons in Boundary Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 Erosion and Deposition, and Their Influences on Plasma
Behavior (Material Transport in Tokamak) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Erosion, Transport, and Deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3 Formation of Deposited Layers Made of Eroded Materials . . . . . 79
5.3.1 Carbon Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3.2 Metallic Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Material Modification by High-Power Load and Its Influence
on Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.1 Power Load to PFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2 Material Response to Power Load and Its Influences
on Boundary Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2.1 Spontaneous Response to Power Load . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2.2 Melting and Sublimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2.3 Hydrogen Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3 Damaging and Degradation of PFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.1 Carbon (C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.3.2 Tungsten (W) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102