Control of hydrogen recycling using hydrogen barrier effect of deposition layer

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02441
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 花田 和明 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (30222219)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: プラズマ・核融合

Outline of Annual Research Achievements

2018年度に実施した高温壁の能動的壁制御により、 壁温を200度まで上げて実験を行い、これまでの壁温120度を超える上壁温120度程度、下壁温150度近傍でも1時聞を超える長時間放電が実現できた。この温度差は上側のみ冷却水を通水することで積極的に温度差をつけることで実施した。この放電ではトロイダル磁場を反転させることでイオンドリフトの方向を上側から下側に変更しており、下側に設置された３台のクライオポンプによる粒子排気の高効率化の効果が考えられる。また、放電途中から上下のダイバータ板背面での水素分圧に大きな上下非対称性（下側が高く、上側が低い）が観測されており、効果的な粒子排気に必要な粒子圧縮が観測された。これはイオンドリフト方向の反転と下側高温壁の温度が高かったことによるリサイクリング率上昇効果の相乗効果が想定される。放電中に通水することでプラズマ対向壁の温度を下げることでリサイクリング率を変化させる実験を行い、部分的に成功した。リサイクリング率を変化させることには成功したが、通水時の温度変化による不純物のプラズマへの混入により放電の長時間化には成功しなかった。
論文執筆については１）プラズマ領域、真空領域、壁領域と相互作用の効果を含めたモデリングに関する論文、２）放電直後の粒子放出から壁への粒子束と再結合係数を含む係数を実測する方法について記載した論文の２編を執筆した。また、共同研究者による据え置き試料の水素吸蔵特性に関する論文等が執筆された。特に１）の論文ではモデル計算から放電停止に至る放出ガスの時間変化が得られたので、今後の粒子バランスの崩れに関する研究が進むものと考えられる。2018年度はセンタースタック表面の改修を行い、センタースタック部の粒子吸蔵等に関するデータの取得が可能となったことに加えて、センタースタック部の冷却も可能となった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成２８年度に実施した壁温制御による１時間を超える長時間放電に引き続き、トロイダル効果と再堆積層の上下不均一性による中性粒子分布の上下非対称性を活用して、中性粒子をクライオポンプが３台（上側は１台）設置されている下側で圧縮して排気効率を高める実験を実施し、上側壁温120度、下側壁温150度で１時間を超える放電に成功した。下側のダイバータ板背面で１０倍近い粒子圧縮が観測された。この粒子圧縮の原因として、トロイダルドリフトの方向とプラズマ対向壁の上下非対称が考えられる。平成３１年度にはより明確に粒子圧縮の効果を確認するために、トロイダルドリフトの向きを反転させて同様の実験を行う予定であり、研究は順調に進んでいる。
モデル計算から、長時間放電を停止させる粒子バランスの崩れについて定量的な評価を行うことができた。この粒子放出の原因を今後解明することでさらなる長時間化に挑むことが可能となる。また、壁のモデリングを行う際に重要となる壁への粒子束や表面再結合係数を放電直後のアウトガスから実機で計測することが可能となったために、随時、壁の状態を確認して実験を行うことができるようになった。これは実験の不確定性を低減することに大きく貢献すると考えられ、今後の研究の効率化が図れることになる。

Strategy for Future Research Activity

平成３１年度は、平成３０年度に確認された粒子圧縮の効果の原因を確認するために、上下の壁温が異なる状況での長時間放電を、トロイダルドリフトが反転した状態で行う。この放電により、トロイダルドリフトの効果と上下の壁温差の効果を切り分けて検討することが可能となる。また、現在進めているモデリングをポイントモデルから１次元モデルに発展させることで、上下の差の効果を取り込んだ計算を行う予定である。平成３１年度には高速試料搬送装置を稼働させて局所的な動的リテンションの計測を実施する予定である。局所的な動的リテンションの計測は、実機でのリサイクリングと壁の状態の関係を調べる基礎実験として重要であり、モデリングの精度向上に欠かせないデータを得ることができると考えられる。また平成３１年度に高温壁の壁温を４００度近くまで上げる実験を計画中である。実際の核融合炉の壁温に近い状態での長時間放電や粒子バランスの計測は、多くの新たな知見を生み出すと考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Effect of carbon impurity reduction on hydrogen isotope retention in QUEST high temperature wall (2019)
  • Author(s): Oya Yasuhisa、Sano Atsuko、Sato Yurina、Nakata Moeko、Zhou Qilai、Togari Akihiro、Yoshida Naoaki、Hanada Kazuaki
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 146 Pages: 1480～1484
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.02.110
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] HFS Injection of X-Mode for EBW Conversion in QUEST (2019)
  • Author(s): ELSERAFY Hatem、HANADA Kazuaki、KURODA Kengoh、IDEI Hiroshi、YONEDA Ryota、HUANG Canbin、KOJIMA Shinichiro、HASEGAWA Makoto、NAGASHIMA Yoshihiko、ONCHI Takumi、IKEZOE Ryuya、HIGASHIJIMA Aki、NAGATA Takahiro、KAWASAKI Shoji、SHIMABUKURO Shun、BERTELLI Nicola、ONO Masayuki
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 14 Pages: 1205038～1205038
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.14.1205038
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Particle balance investigation with the combination of hydrogen barrier model and rate equations of hydrogen state in long duration discharges on all-metal plasma facing wall QUEST (2019)
  • Author(s): K.Hanada,N.Yoshida,M.Hasegawa,H.Idei,Y.Nagashima,K.Nakamura,T.Onchi,O.Watanabe,H.Watanabe,K.Tokunaga,A.Higashijima,S.Kawasaki,T.Nagata,S.Shimagukuro,A.Hatayama,K.Okamoto,I.Takagi,T.Hirata,T.Shikama,S.Murakami,H.Long,Z.X.Wang,Y.Oya,S.Kojima,K.Gaku,M.Oya,M.Miyamoto,Y.Oya,T.Takase,X.Gao,H.Liu,J.Qian,R.aman,M.Ono
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 投稿中 Pages: 投稿中
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab1858
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] TSC Simulation of Transient CHI in New Electrode Configuration on QUEST (2018)
  • Author(s): KURODA Kengoh、RAMAN Roger、JARDIN Stephen C.、ONO Masayuki、HANADA Kazuaki
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 13 Pages: 3402059～3402059
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3402059
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of magnetic shear on edge turbulence in SOL-like open field line configuration in QUEST (2018)
  • Author(s): Banerjee Santanu、Zushi H、Nishino N、Hanada K、Idei H、Nakamura K、Hasegawa M、Fujisawa A、Nagashima Y、Mishra K、Tashima S、Onchi T、Kuzmin A、Matsuoka K
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 60 Pages: 085014～085014
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6587/aacb69
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of heating temperature on tritium retention in stainless steel type 316?L (2018)
  • Author(s): Matsuyama M.、Zushi H.、Tokunaga K.、Kuzmin A.、Hanada K.
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 16 Pages: 52～59
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2018.05.024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modelling of plasma and its wall interaction for long-term tokamak operation (2018)
  • Author(s): Okamoto K.、Tatsumi R.、Abe K.、Hatayama A.、Hanada K.
  • Journal Title: Contributions to Plasma Physics Volume: 58 Pages: 602～607
  • DOI: 10.1002/ctpp.201700129
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Initial results from solenoid-free plasma start-up using Transient CHI on QUEST (2018)
  • Author(s): Kuroda K、Raman R、Hanada K、Hasegawa M、Onchi T、Ono M、Nelson B A、Jarboe T R、Nagata M、Mitarai O、Nakamura K、Idei H、Rogers J、Kawasaki S、Nagata T、Kuzmin A、Kojima S、Huang C、Watanabe O、Higashijima A、Takase Y、Fukuyama A、Murakami S
  • Journal Title: Plasma Physics and Controlled Fusion Volume: 60 Pages: 115001～115001
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6587/aadcb7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-Field-Side RF Injection for Excitation of Electron Bernstein Waves (2018)
  • Author(s): YONEDA Ryota、HANADA Kazuaki、ElSERAFY Hatem、BERTELLI Nicola、ONO Masayuki
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research Volume: 13 Pages: 3402115～3402115
  • DOI: 10.1585/pfr.13.3402115
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] QUEST電極配位におけるCHI電流立ち上げ研究 (2019)
  • Author(s): 黒田賢剛，Roger RAMAN，花田和明，長谷川真，恩地拓己，小野雅之，Thomas JARBOE，Brian A. NELSON，永田正義，御手洗修，出射浩，John ROGERS，Canbin Huang，川崎昌二，永田貴大，小島信一郎，東島亜紀，中村一男，高瀬雄一，村上定義
  • Organizer: 日本物理学会第74回年会
• [Presentation] QUESTにおける第二高調波EC加熱時のプラズマ電流に対する中性粒子の影響 (2019)
  • Author(s): 小島信一郎，花田和明，出射浩，恩地拓巳，中村一男，長谷川真，永島芳彦，池添竜也，黒田賢剛，米田亮太，小野雅之，松本直樹，川又裕也，江尻晶
  • Organizer: 日本物理学会第74回年会
• [Presentation] QUESTの長時間放電を用いた粒子バランスのモデリング (2019)
  • Author(s): 花田和明、吉田直亮、長谷川真、畑山明聖、岡本浩輔、高木郁二、平田貴大、大矢恭久、宮本光貴、大宅諒、四竈泰一、出射浩、永島芳彦、中村一男、渡辺理、恩地拓己、渡辺英雄、徳永和俊、東島亜紀、川崎昌二、永田貴大、島袋瞬、高瀬雄一、村上定義
  • Organizer: 日本物理学会第74回年会
• [Presentation] Comparison between low field side and high field side injections for EBW conversion in QUEST (2019)
  • Author(s): Hatem Elserafy, Kazuaki Hanada, Hiroshi Idei, Makoto Hasegawa, Kengoh Kuroda, Takumi Onchi, Ryuya Ikezoe, Shinichiro Kojima, Ryota Yoneda, Huang Canbin, Miyu Yunoki, Masaharu Fukuyama, Nicola Bertelli, Masayuki Ono
  • Organizer: 第22回若手科学者によるプラズマ研究会
• [Presentation] QUESTにおける2nd ECRHによるプラズマ電流立ち上げ時の中性粒子の影響と電子エネルギー分布について (2019)
  • Author(s): 小島信一郎, 花田和明, 出射浩, 恩地拓己, 中村一男, 長谷川真, 永島芳彦, 池添竜也, 黒田賢剛, 米田亮太, Hatem Elserafy, 小野雅之, 江尻晶, 四竈泰一, 假家強, 高瀬雄一, 村上定義
  • Organizer: 第22回若手科学者によるプラズマ研究会
• [Presentation] Measurement of the ion species dependence of the intrinsic edge rotation in spherical tokamak QUEST (2018)
  • Author(s): T. Shikama, K. Hanada, K. Nii, A. Fujikawa, H. Zushi, T. Onchi, M. Hasegawa,N. Yoneda, S. Mori, M. Hasuo, H. Idei, K. Nakamura, Y. Nagashima, K. Kuroda, A. Higashijima, and T. Nagata
  • Organizer: PSI 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation of Fuel Particle balance in steady state operation with hydrogen barrier model (2018)
  • Author(s): K. Hanada, N. Yoshida, I. Takagi, T.Hirata, A. Hatayama, K. Okamoto, Y. Oya,T. Shikama, Z. Wang, H. Long, M. Oya, H. Idei, Y. Nagashima, T. Onchi, M. Hasegawa, K. Nakamura, H. Zushi, K. Kuroda, S. Kawasaki, A. Higashijima, T. Nagata,S. Shimabukuro, Y. Takase, S. Murakami, X. Gao, H. Liu, J. Qian, R. Raman, and M. Ono
  • Organizer: PSI 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence by electron-neutral particle collision in plasma current drive using 28 GHz 2nd harmonics EC wave on QUEST (2018)
  • Author(s): Shinichiro Kojima，Kazuaki Hanada，Hiroshi Idei, Takumi Onchi, Kazuo Nakamura，Makoto Hasegawa，Yoshihiko Nagashima，Ryuya Ikezoe, Kengo Kuroda，Ryota Yoneda, Masayuki Ono, Naoki Matsumoto,Yuya Kawamata, Akira Ejiri
  • Organizer: 9th Japan-Korea Seminar on Advanced Diagnostics for Steady-State Fusion Plasmas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preliminary energy balance estimation using calorimetric measurement in long-pulse high-performance discharges with upper single null configuration on EAST (2018)
  • Author(s): Y. K. Liu, K. Hanada, X. Gao,Y. W. Yu, L. Yang, H. Q. Liu, Q. Zhuang Y. L. Li, J. P. Qian, Y.X.Jie and EAST Team
  • Organizer: 9th Japan-Korea Seminar on Advanced Diagnostics for Steady-State Fusion Plasmas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of hydrogen recycling with local partial pressure measurement in QUEST (2018)
  • Author(s): Shogo Matsuo, Hao Long, Kazuaki Hanada, Hiroshi Idei , Akihide Fujisawa, Yoshihiko Nagashima, Makoto Hasegawa, Takumi Onchi, Shoji Kawasaki, Aki Higashizima, Kengoh Kuroda, Takahiro Nagata, Sadayoshi Murakami, Yuichi Takase, and QUEST group
  • Organizer: 9th Japan-Korea Seminar on Advanced Diagnostics for Steady-State Fusion Plasmas
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Particle balance investigation with the combination of rate equations of hydrogen state and hydrogen barrier model in long duration discharges on all-metal PFW QUEST (2018)
  • Author(s): K.Hanada,N.Yoshida,M.Hasegawa,A.Hatayama,K.Okamoto,I.Takagi,T.Hirata,Y.Oya,M.Miyamoto,M.Oya,T.Shikama,A.Kuzmin,Z.X.Wang ,H.Long,H.Idei,Y.Nagashima,K.Nakamura,O.Watanabe,T.Onchi,H.Watanabe,K.Tokunaga,A.Higashijima,S.Kawasaki,H.Nakashima,T.Nagata,S.Shimabukuro,Y.Takase,S.Murakami,X.Gao,H.Liu,J.Qian,R.Raman,M.Ono
  • Organizer: 27th IAEA Fusion Energy Conference (FEC2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Progress of high Progress of high βN plasma operation on EAST tokamak (2018)
  • Author(s): X. Gao, L. Zeng, H. Liu, Guoquang Li, Gonshun li, H. Cai, X. Wu, K. Hanada, Y. Gao, T. Ming, T. Zhang, Y. Yang, Z. Liu, M. Wu, K. Li, X. Zhu, B. Lyu, Y. Jie, Q. Zang, H. Li, Y. Liang, X. Gong, J. Li
  • Organizer: 60th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solenoid-free Start-up Modeling of 2nd Harmonic Electron Cyclotron Heating and Current Drive (2018)
  • Author(s): M. Ono, N. Bertelli, H. Idei, K. Hanada
  • Organizer: 60th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fuel particle balance for steady state operation on all-metal fusion experimental device, QUEST. (2018)
  • Author(s): K.Hanada,N.Yoshida,M.Hasegawa,A.Hatayama,K.Okamoto,I.Takagi,Y.Oya,M.Miyamoto,M.Oya,T.Shikama,A.Kuzmin,Z.X.Wang,H.Long,S.Kojim,H.Idei,Y.Nagashima,K.Nakamura,O.Watanabe,T.Onchi,H.Watanabe,K.Tokunaga,A.Higashijima,S.Kawasaki,H.Nakashima,T.Nagata,S.Shimabukuro,Y.Takase,S.Murakami,X.Gao,H.Liu,J.Qian,R.Raman,M.Ono
  • Organizer: 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Design of high field side injection of X-mode for EBW conversion experiment in QUEST (2018)
  • Author(s): Hatem Elserafy, Kazuaki Hanada, Ryota Yoneda, Hiroshi Idei, Makoto Hasegawa, Takumi Onchi, Kengoh Kuroda, Aki Higashijima, Takahiro Nagata, Nicola Bertelli, Masayuki Ono
  • Organizer: 27th International Toki Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] RESULT OF TRANSIENT COAXIAL HELICITY INJECION EXPERIMENTS ON QUEST (2018)
  • Author(s): C. Huang, K. Kuroda, R. Raman, K. Hanada, B. A. Nelson, M. Ono
  • Organizer: 27th International Toki Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 動的吸蔵評価用高速試料搬送装置の開発 (2018)
  • Author(s): 岳其霖，花田和明，大宅諒，小島信一郎，出射浩，恩地拓己，黒田賢剛，吉田直亮
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] QUEST電極配位におけるCHI生成電流の発展 (2018)
  • Author(s): 黒田賢剛，Roger RAMAN，花田和明，長谷川真，恩地拓己，小野雅之，Thomas JARBOE，Brian A. NELSON，永田正義，御手洗修，出射浩，John ROGERS，Canbin Huang，川崎昌二，永田貴大，小島信一郎，東島亜紀，中村一男，高瀬雄一，村上定義
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] QUESTにおけるECRH電流駆動時の高速電子発生に対する中性粒子の影響 (2018)
  • Author(s): 小島信一郎，花田和明，出射浩，恩地拓巳，中村一男，長谷川真，永島芳彦，池添竜也，黒田賢剛，米田亮太，小野雅之，松本直樹，川又裕也，江尻晶
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] QUEST⾼温壁温度制御のための単⼀パネル試験 (2018)
  • Author(s): 河野香，川埼昌二，山下雅典，長谷川真，恩地拓己，花田和明
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 超長時間放電を担う高温プラズマ対向壁用タングステン材料の水素吸蔵・放出特性評価 (2018)
  • Author(s): 吉田直亮，島袋瞬，牟田口崇史，波多野雄治，出射浩，花田和明
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] comparison between low field side and high field side injections for EBW conversion in QUEST (2018)
  • Author(s): Hatem Elserafy，Kazuaki Hanada，Ryota Yoneda，Hiroshi Idei，Makoto Hasegawa，Takumi Onchi，Kengoh Kuroda，Aki Higashijima，Takahiro Nagata，Nicola Bertelli，Masayuki Ono
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 長時間放電での燃料粒子バランスにおける壁の影響 (2018)
  • Author(s): 花田和明
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
  • Invited
• [Presentation] TASK/WRを⽤いたQUEST電流⽴ち上げ実験の28GHz-電⼦サイクロトロン波解析 (2018)
  • Author(s): 恩地拓己，出射浩，池添竜也，福山雅治，長谷川真，花田和明，江尻晶，小野雅之，福山淳
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] クエスト2017秋冬キャンペーンにてプラズマに曝された高温タングステン壁における水素同位体滞留挙動評価 (2018)
  • Author(s): 小池彩華，戸苅陽大，仲田萌子，周啓来，趙明忠，孫飛，吉田直亮，花田和明，大矢恭久
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] QUEST ECHプラズマにおける不純物イオントロイダル流れの磁場配位依存性 (2018)
  • Author(s): 米田奈生，四竈泰一，花田和明，藤川祥亘，森暁，出射浩，恩地拓己，新居邦亮，図子秀樹，蓮尾昌裕，中村一男，永島芳彦，池添竜也，長谷川真，黒田賢剛，東島亜紀，永田貴大
  • Organizer: 第35回プラズマ・核融合学会年会
• [Presentation] 高速試料搬送装置による動的吸蔵量の計測計画 (2018)
  • Author(s): 岳其霖, 花田和明, 大宅諒, 小島信一郎, 出射浩, 恩地拓己, 黒田賢剛, 吉田直亮
  • Organizer: 第22回プラズマ・核融合学会支部会
• [Presentation] QUESTにおけるHα線絶対感度校正による壁水素吸蔵特性評価 (2018)
  • Author(s): 中岡翼, 花田和明, 出射浩, 中村一男, 永島芳彦, 長谷川真, 恩地拓己, 川崎昌二, 東島亜紀
  • Organizer: 第22回プラズマ・核融合学会支部会