2018 Fiscal Year Annual Research Report
Plasma and liquid metal interactions under strong magnetic field
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17H01367
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
上田 良夫 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30193816)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菊池 祐介 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (00433326)
帆足 英二 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40520698)
仲野 友英 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, 上席研究員(定常) (50354593)
沖田 隆文 大阪大学, 工学研究科, 助教 (50772183)
古河 裕之 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 理論・シミュレーションチーム, 研究員 (70222271)
伊庭野 健造 大阪大学, 工学研究科, 助教 (80647470)
Lee HeunTae 大阪大学, 工学研究科, 講師 (90643297)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | プラズマ・壁相互作用 / 液体金属 / 強磁場 / 蒸気遮蔽効果 / タングステン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度の成果をまとめると以下の通りである。
１）W材溶融層の挙動と微粒子放出・損耗量評価：ミリ秒レーザー照射中の表面溶融層挙動を高速カメラで撮影し、溶融層安定性のパルス波形依存性を明らかにした。また放出される微粒子を石英板で採取することに成功し、ディスラプションやELMなどの過渡的熱負荷による溶融金属の模擬環境における損耗観測系を整備した。熱負荷によるW材料の損耗量測定手法を構築し、パルス波形に対する損耗量の依存性を明らかにした。さらに、溶融層の挙動をCIP法を用いて評価し、温度勾配により生じるマランゴニ対流の影響について評価した。
２)真空中強磁場中溶融挙動：真空中強磁場発生装置については製作したが、コイルに高い電圧を印加した際の寄生放電を避けるための電極形状の適正化等を行っているところであり、本格的な実験は来年度に予定している。
３）蒸気遮蔽効果のモデリングとシミュレーション：蒸気遮蔽シミュレーション用PICコードを使用し、ITERや原型炉における過渡熱負荷による壁、W壁の損耗予測を行った。特にBe壁で顕著な蒸気遮蔽によって壁面の損耗が低減されることを示した。それに対して、W壁の場合には、熱負荷の低減は少ない。このことから、Be保護膜の被覆で、特にITERにおいてW壁の損耗が大きく低減される可能性を示した。
４）レーザーアブレーション分光法によるW材料中の微量粒子の検出：ナノ秒レーザー照射によるアブレーションプラズマを融点や性質の異なるW対向材W, W-Re, W-Taの場合でも生成することに成功し、分光測定による微量Re、Taの濃度測定に成功した。この成果により、Wの核変換によって生成するReやTaをLIBS法によって遠隔で測定することが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
溶融層挙動の詳細な研究については、ミリ秒レーザーによる熱パルス波形やパワーなどを変化させて場合の表面状態の変化を詳細に得ることができた。この結果、パルス波形が溶融層の挙動に及ぼす影響の理解が深まり、基本的には、表面温度により溶融層挙動の特性がほぼ決定されることがわかった。また、粒子放出については、沸点近傍でミクロンオーダーの微粒子の放出が認められるが、ほとんどの粒子放出は蒸発によるもの（原子または数原子程度のクラスタ）と理解される。さらに溶融層のシミュレーションについては、マランゴニ対流の効果を取り入れて新たな評価を行い、内部の複雑な対流構造が溶融層挙動に影響を及ぼすことが明らかになった。蒸気遮蔽効果のシミュレーションについては、Wの評価も可能となり、Beでの評価との比較やBe堆積層の影響評価を行った。これらに加えて、レーザーアブレーションによるWプラズマの分光測定を応用して、W中の微量元素（主に核変換で生じるReやTa）を測定できることも示した。強磁場環境における試験装置については、装置の運転において、高電圧印加の際の安定性を確保することが必要であり、この点でさらに調整が必要な状態である。
上記の状況を鑑み、課題ごとでは当初の予定よりも進んだ部分もあるが、全体としてみた場合は、上記のような進捗状況と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策は以下の通りである。
１）強磁場中のW材溶融層の挙動と微粒子放出・損耗量評価：パルス強磁場装置を用いて溶融Wの挙動観察、放出粒子のサイズ・組成解析を電子顕微鏡で行う。溶融金属の挙動に対する高磁場の影響を明らかにする。具体的には、高磁場下での溶融Wの高速カメラによる挙動解析、粒子捕捉実験と電子顕微鏡による分析を行う。溶融Wへの磁場影響を明らかにし、その成果をまとめる。溶融層シミュレーションへの磁場導入について検討を行う。
２）蒸気遮蔽効果のモデリングとシミュレーション：2019年度は、線形装置における蒸気遮蔽実験との整合性を更に検証するため、非接地状態のLi試料に対する過渡負荷についてシミュレーションを行う。非接地状態の試料を扱えるようにコードの改良を行い、計算を実施し、実験結果との整合性を検証する。また、壁近傍からコアプラズマ領域を含んだシミュレーションのため、流体法とPIC法のハイブリッドコード開発を進める。
３）レーザーアブレーション分光法によるWのスペクトル：Wの真空紫外領域におけるアブレーションプラズマの分光測定を行う。VUV測定用の分光器の整備・校正を行った後、W,Re,Taについて真空紫外アブレーション分光を行う。得られた結果を原子構造計算に基づく原子分子データベース（ADAS,NISTなど）に示されたデータと比較する。
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