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2018 Fiscal Year Research-status Report

New Effects of Plasma Heat and Particle Loads on Plasma-Facing Wall

Research Project

Project/Area Number 17K06996
Research InstitutionAichi Institute of Technology

Principal Investigator

高村 秀一  愛知工業大学, 総合技術研究所, 教授 (40023254)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 上杉 喜彦  金沢大学, 電子情報通信学系, 教授 (90213339)
Project Period (FY) 2017-04-01 – 2020-03-31
Keywordsプラズマ・核融合 / ダイバータ / タングステン / 放射冷却 / ファズ / 窒化 / ピン留め効果 / 皺構造
Outline of Annual Research Achievements

新しいプラズマ‐表面相互作用として以下の研究を展開した:
(1)磁場閉じ込め熱核融合炉における、ダイバータ板の深刻な熱負荷の低減のために、ITER(国際熱核融合実験炉)にて本命とされる窒素を含む重水素プラズマとタングステン(W)材料の相互作用を広い表面温度範囲に亙って調べた。700 ~ 900 K程度の温度範囲で窒化物の検出並びにナノウイスカー状の構造の形成を発見した。1300 ~ 1500Kの高温ではネオンの場合と同様に皺構造が確認された。一方、プラズマ中に、クライオポンプの機能低下をもたらすと危惧される、アンモニアの前駆体であるNDラジカルの発光を分光的に明らかにした。(これらの成果は国際誌Nuclear Fusionに掲載)
(2)Wとヘリウム(He)との相互作用によりW材料表面に形成される繊維状ナノ構造(ファズ)の成長過程解明の鍵の一つとなる、ファズの結晶性と結晶粒面方位分布について電子線・X線の回折を駆使して、α-phase Wのそれらと比較することにより論じた。
(3)TiC, カリウム(K)やThO2などがドープされたWにフェムト秒レーザー掃引照射により500 nmの溝ピッチを持つLIPSS(Laser Induced Periodic Surface Structure)を形成し、更にHeプラズマ弱照射による未成長のファズ形成を行った。ドープ材とHeのツェナーピン留め効果により、過大な表面拡散を抑止しつつ、アニールによるLIPSS構造の崩れを防止する傾向が見られた。これにより高温での高い表面熱放射特性保持の方向性が見出された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

ダイバータプラズマの放射冷却用不純物として核融合炉で想定されている、ネオンと窒素がW材料表面に及ぼす効果として、両者に亙って皺構造の形成、後者は窒化物形成の温度範囲・温度特性同定とアンモニア前駆体の発光線の検出という成果をすでに得ている。
ファズ形成物理機構は未だに未解明であるが、Wの結晶性と結晶粒面方位の分布について電子線・X線の回折から迫る見通しが得られた。
高温W表面からの熱放射促進としてドープ材入りWへのLIPSS技術の活用の道筋を見出した。高温でのアニール効果の軽減により熱放射特性の保持の見通しが得られている。
また、ELMに相当するプラズマ熱パルスに対するWの蒸発・射出素過程模擬のため、Wと類似の高融点金属でやや低融点であるタンタルの原子発光とイオン発光に関する分光基礎データが得られつつある。熱パルス模擬のため放電陰極に加える負パルス印加のための絶縁破壊対策を強化した陰極作製も完了している。

Strategy for Future Research Activity

(A) 各種のドープ材(TiC, K, ThO2)を持つW材料にLIPSSを施し、Heプラズマ弱照射と併用して、表面拡散を抑制しつつ高温での熱放射率を高く維持し、耐アニール特性の向上を図る。
(B) Heプラズマ照射による単結晶W表面に成長するファズの結晶粒の面方位分布をX線回折によりファズ全体に亙ってグローバルに明らかにし、ファズ成長物理機構解明のヒントにする。
(C) ELM模擬の熱パルスにより融点迄の昇温で実績のあるWより更に表面溶融効果の大きい、タンタル箔(10~20μm)の表面溶融並びに原子とクラスターの放出素過程、近傍プラズマの冷却等、べーパー・シールディングと総称されている現象の素過程を明らかにすべく、干渉フィルターと平成30年度に導入した高性能デジカメの高速(1000fps)動画機能を用いて明らかにする。

Causes of Carryover

(理由)投稿論文(Nuclear Fusion誌)のアクセプト通知が年度末になり、ページ当たりのチャージはわかっていたものの、印刷ページ数が不確定であったことと、米ドルと日本円の換算レートの不確定さのため、余裕をもって出版費を確保したため。

(使用計画)単結晶タングステン材料の購入の補填に有効活用したい。

  • Research Products

    (13 results)

All 2019 2018

All Journal Article (4 results) (of which Open Access: 3 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (9 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Effects of nitrogen-seeded deuterium plasma on tungsten surfaces2019

    • Author(s)
      Takamura S.、Aota T.、Uesugi Y.、Kikuchi Y.、Maenaka S.、Fujita K.
    • Journal Title

      Nuclear Fusion

      Volume: 59 Pages: 046015~046015

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab0142

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] ヘリウム・プラズマ照射によってタングステン表面に形成される繊維状ナノ構造の結晶性2019

    • Author(s)
      高村秀一、岩田博之、青田達也、上杉喜彦、前中志郎、藤田和宣
    • Journal Title

      愛知工業大学研究報告

      Volume: 54 Pages: -

    • Open Access
  • [Journal Article] 「はじめに」:小特集「ヘリウムプラズマで誘起される金属表面の繊維状ナノ構造」2018

    • Author(s)
      高村 秀一
    • Journal Title

      プラズマ・核融合学会誌

      Volume: 94 Pages: 294-295

    • Open Access
  • [Journal Article] 「繊維状ナノ構造形成過程に関する実験からの知見」:小特集「ヘリウムプラズマで誘起される金属表面の繊維状ナノ構造」2018

    • Author(s)
      高村 秀一
    • Journal Title

      プラズマ・核融合学会誌

      Volume: 94 Pages: 300-305

    • Open Access
  • [Presentation] ITPAへの我が国からの貢献向上に向けて2019

    • Author(s)
      高村秀一
    • Organizer
      スクレープオフ層とダイバータ物理サブクラスター(平成30年度第一回)とダイバータサブクラスター(平成30年度第一回)の合同会合
    • Invited
  • [Presentation] ナノ構造を持つタングステンの高温での熱放射特性の向上へ向けて-ピン留め効果と表面拡散の競合-2019

    • Author(s)
      高村秀一、青田達也、菊池祐介、上杉喜彦、前中志郎、栗下裕明、藤田和宣、永田正義、
    • Organizer
      核融合炉開発に向けたPWIマルチスケールモデリングに関する研究会
  • [Presentation] 準大気圧ヘリウムプラズマ照射による繊維状ナノ構造形成2019

    • Author(s)
      菊池祐介、奥村卓也、門脇和正、青田達也、前中志郎、藤田和宣、高村秀一
    • Organizer
      核融合炉開発に向けたPWIマルチスケールモデリングに関する研究会
  • [Presentation] 炉内周辺プラズマ放射冷却としての窒素が対向壁タングステン表面に与える効果2018

    • Author(s)
      高村秀一、青田達也、上杉喜彦、菊池祐介、前中志郎、藤田和宣
    • Organizer
      第12回核融合エネルギー連合講演会
  • [Presentation] 準大気圧ヘリウムアークプラズマ照射装置の開発と繊維状タングステン形成2018

    • Author(s)
      菊池祐介、奥村卓也、門脇和正、青田達也、前中志郎、藤田和宣、高村秀一
    • Organizer
      平成30年度境界プラズマ研究会(NIFS共同研究)
  • [Presentation] ナノ構造表面を持つタングステンの高温での熱放射特性の向上2018

    • Author(s)
      高村秀一、青田達也、菊池祐介、永田正義、上杉喜彦、前中志郎、藤田和宣、栗下裕明
    • Organizer
      平成30年電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • [Presentation] 電極水平対向配置における準大気圧定常ヘリウムアーク放電プラズマの特性評価(II)2018

    • Author(s)
      奥村卓也、菊池祐介、前中志郎、青田達也、藤田和宣、高村秀一
    • Organizer
      平成30年電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • [Presentation] 窒素を含む重水素混合プラズマが対向壁タングステン表面に与える効果2018

    • Author(s)
      高村秀一、青田達也、上杉喜彦、菊池祐介、前中志郎、藤田和宣
    • Organizer
      プラズマ・核融合学会 第35回年会
  • [Presentation] 準大気圧定常ヘリウムアークプラズマ照射によるタングステン表面ナノ構造の試料温度特性2018

    • Author(s)
      奥村卓也、菊池祐介、青田達也、前中志郎、藤田和宣、高村秀一
    • Organizer
      プラズマ・核融合学会 第35回年会

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Published: 2019-12-27  

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