2019 Fiscal Year Research-status Report
Study on hydrogen isotope behavior in fusion test device using tracer tritium by D-D reaction
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17K06998
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
田中 将裕 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00435520)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 排気ガス組成 / トリチウム挙動 / 物質収支 / 化学形態 / プラズマ対向壁材 / 赤外吸収分光計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合システム内のトリチウム収支やその排出挙動、真空容器内に滞留するトリチウム量の解明を目的として、2017年3月から開始した重水素プラズマ実験で、大型核融合試験装置(LHD)の水素同位体排出挙動・物質収支を評価している。2019年度は、2018年度に整備した長光路(16 m)ガスセルを組み合わせた赤外吸収分光装置(FTIR装置)で、重水素プラズマ実験時の排気ガス組成分析を実施した。その結果、排気ガス中に重水素化炭化水素(CxDy)が検知された。重水素化炭化水素は、炭化水素(CxHy)の吸収波数と大きく異なることから、弁別して測定できることが確認された。また、大気開放直後の真空容器ベーキングや水素グロー放電では、極微量の重水素化炭化水素(CxHy-zDz)やアンモニア(NH3)がFTIR装置で検出された。長光路ガスセルを用いた赤外吸収分光法は、ガスクロマトグラフ装置や質量分析計で弁別測定が難しい重水素化合物が検出でき、核融合装置の排気ガス組成分析に有効であることが実証された。
FTIR装置を標準ガスを用いて校正し、排気ガス中の炭化水素成分を定量したところ、水素グロー放電洗浄時の排出ガス中には、メタンが46%、エタンが4%、エチレンが1%、一酸化炭素が49%の比率であることが確認された。炭化水素の組成は、真空容器壁が炭素材で囲まれたJT-60Uとほぼ同じ結果であった。LHDでは第一壁にSUS材、ダイバータ板に炭素材を用いていることから、第一壁ではなくダイバータ部における化学スパッタリングが炭化水素生成の主要因であることが示唆された。
3年目の重水素実験では、重水素核融合反応によるトリチウム発生量が、前年度と比較して1/3程度であり、ほぼ全量が真空容器から排出された。3年間のトリチウム観測の結果、真空容器からのトリチウム排出量は、トリチウム発生量に依存しないことがわかった。
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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
2019年度は研究計画に基づいて、第三年次のLHD重水素プラズマ実験期間における排気ガス組成分析を継続して実施し、トリチウムが滞留した真空容器からのトリチウム放出挙動データを得た。第三年次の重水素プラズマ実験では、過去2回の実験と比較すると、トリチウム発生量が1/3程度になり、これまでのプラズマ実験条件とは異なる条件でデータを得ることができた。また、研究計画に従って、長光路ガスセルを組み付けたFTIR装置により、重水素プラズマ実験中の排気ガス分析を実施した。その結果、重水素化炭化水素の弁別測定に成功し、水素同位体挙動解明に供する分析システムであることが実証できた。また、本分析システムにより、排気ガス中の極微量のアンモニア成分の検出にも成功し、赤外吸収分光法が排気ガス分析に有効であることが確認された。得られた初期結果は、国内学会、国際会議で発表を行った。
研究計画では想定していなかったアンモニア(NH3)や、重水素化炭化水素(CxHy-zDz)成分が検知され、真空容器から多様な化学形態で放出される水素同位体の挙動を明らかにすることができた。これらの観測結果は、核融合装置における水素同位体挙動を評価する上で、重要な知見となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究遂行に必要な機器の整備を終えたので、2020年度は4年目となるLHD重水素プラズマ実験の排気ガス組成分析を継続して実施する。真空容器内にはこれまでの実験で滞留したトリチウムが残留している。真空容器内のトリチウム滞留が、重水素プラズマ実験によって生成されたトリチウムの排出挙動にどのような影響を及ぼすか、引き続き観測する。
最終年度として、これまでに得られたトリチウムや重水素成分の測定データを纏めて、国内学会/国際会議での発表、学術論文として投稿する。
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| Causes of Carryover |
FTIR装置で使用する窒素ガス製造装置の購入を見送ったため2018年度から差額が生じていた。2019年度末のFTIR装置点検で、検出器の劣化が確認されたことから、計画外であるが部品交換費として使用することを計画している。また、国内学会および国際会議での研究成果報告を検討しており、その旅費および参加費として使用する予定である。
研究の最終年度として、研究成果を纏めて論文投稿を計画しており、投稿費として使用する予定である。
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