ELMによるタングステンダイバータ板損傷の基礎過程の解明と材料の最適化

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18360443
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 徳永 和俊 Kyushu University, 応用力学研究所, 准教授 (40227583)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坂本 瑞樹 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (30235189) ; 江里 幸一郎 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 研究員 (30354624) ; 鈴木 哲 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 研究員 (60354619) ; 谷川 尚 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 研究員 (70370426)
• Keywords: 核融合 / プラズマ・壁相互作用 / ダイバータ / 高熱負荷 / 水素同位体 / ヘリウム / パルス高熱負荷 / タングステン

Research Abstract

本年度は、最終年度であることから、これまでの研究を進めると共に成果をまとめた。
(1) パルス高熱負荷による材料損傷・損耗については、粉末焼結W材で圧延方向が試料表面に垂直な試料では、熱応力により深さ方向(圧延方向)に亀裂が発生し易く、亀裂のエッジでは、Wの破片等も形成され、ダスト形成及び損耗の原因となることが分かった。また、La_2O_3(0.96wt%)ドープW及び超微細結晶粒W合金(W-0.5wt%TiC-Ar)の損耗量が多い原因は、La_2O_3やArバブルの突沸により、溶融物が飛散されるためであることがわかった。この影響が少ないと考えられるK(0.003wt%)ドープW及び超微細結晶粒W合金(W-0.5wt%TiC-H_2)は損耗量も少ない。
(2) 強制冷却下での高熱流束の熱及びビーム照射実験が可能である、冷却管の表面にWを被覆したダイバータモックアップを作製することができた。特に真空プラズマ溶射法によりWを被覆することにより、これまでの溶射法で作製したものと比較し高熱伝導率のW被覆ダイバータモックアップを作製することができた。これを元に、冷却水への熱伝達を含めた解析を行った。
(3) 水素及びヘリウムビーム照射実験では、表面形状については、粉末焼結W材の場合は、アメーバ状の凹凸が形成されており、スパッタリングによる表面形状変化と共に損耗により内部の組織が表面に露出しているものと考えられる。この形状変化は、特に、ヘリウム単独照射の場合に顕著であった。一方、W-TiC合金の場合は、照射後の表面形状は、粉末焼結W材に見られるような凹凸が異なる部分は見られず、一様に変化している。これは、結晶粒の大きさが数100nm程度と小さいためであると考えられる。さらに、これらの光反射率等の光学的性質変化についても調べ、特に、照射により、吸収・反射に寄与するバンド構造が変化することが明らかとなった。

Research Products

• [Journal Article] Microscopic Deformation of Tungsten Surfaces by High Energy and High Flux Helium/Hydrogen Particle Bombardment with Short Pulses (2010)
  • Author(s): M.Tokitani, N.Yoshida, K.Tokunaga, H.Sakashita, S.Kiyama, H.Koguchi, Y.Hirano, S.Masuzaki
  • Journal Title: Plasma and Fusion Research 5 Pages: 012-1, 012-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of High-Power-Density Ion Beam System with High-Repetition Pulse Operation (2010)
  • Author(s): H.Sakakita, S.Kiyama, H.Koguchi, Y.Hirano, T.Shimad, M.Tokitani, N.Yoshida, K.Tokunaga
  • Journal Title: Proceedings of ITC19, 2009 (in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical Property Change on Metallic Mirror Materials by Low Energy Helium Irradiation (2009)
  • Author(s): K.Tokunaga, T.Fujiwara, N.Yoshida, A.Ebihara, M.Tokitani, A.Sagara, S.Nagata, B.Tsuchiya
  • Journal Title: Journal of Plasma and Fusion Research SERIES 8 Pages: 1374-, 378
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Surface modification of tungsten mirrors due to low-energy helium plasma irradiation in the compact PWI simulator APSEDAS (2009)
  • Author(s): M.Sakamoto, T.Miyazaki, Y.Higashizono, K.Ogawa, K.Ozaki, N.Ashikawa, M.Tokitani, T.Shoji, S.Masuzaki, K.Tokunaga, K.Ohya, A.Sagara, N.Yoshida, K.N.Sato
  • Journal Title: Physica Scripta T138 Pages: 014043-1, 014043-5
  • Peer Reviewed
• [Presentation] タングステン材料のパルス高熱負荷による表面損傷と損耗 (2010)
  • Author(s): 徳永和俊, 藤原正, 荒木邦明, 宮本好雄, 中村一男, 栗下裕明, 江里幸一郎, 鈴木哲, 横山堅二, 関洋治, 榎枝幹夫, 秋場真人
  • Organizer: 日本原子力学会春の年会
  • Place of Presentation: 水戸市
  • Year and Date: 2010-03-27
• [Presentation] Development of high-power-density ion beam system with high repetitive pulse operation (2009)
  • Author(s): H. Sakakita, S. Kiyam, H. Koguchi, Y. Hirano, T. Shimada, M. Tokitani, N. Yoshida, K. Tokunaga
  • Organizer: International TOKI Conference
  • Place of Presentation: 土岐市(岐阜県)
  • Year and Date: 20091208-20091211
• [Presentation] Surface modification and erosion on newly-developed tungsten materials by pulse high heat loading (2009)
  • Author(s): K. Tokunaga, T. Fujiwara, K. Araki, Y. Miyamoto, K. Nakamura, H. Kurishita, K. Ezato, S. Suzuki, K. Yokoyama, M. Enoeda, M. Akiba
  • Organizer: Asia Plasma Fusion Association 2009
  • Place of Presentation: 青森市
  • Year and Date: 2009-10-28
• [Presentation] Nanoscopic morphology formation on tungsten induced by Be seeded D-He mixture plasma exposure (2009)
  • Author(s): Tokunaga, M.J.Baldwin, R.P.Doerner, D.Nishijima, H.Kurishita, T.Fujiwara, K.Araki, Y.Miyamoto, N.Ohno, Y.Ueda
  • Organizer: 14^<th> International Conference on Fusion Reactor Materials
  • Place of Presentation: 札幌市
  • Year and Date: 2009-10-28