A study about behavior of He bubbles on metal surface using high thermal pulse

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19K14690
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 浜地 志憲 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (60761070)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: タングステン / プラズマー材料相互作用 / 熱パルス / 微細組織観察 / He誘起微細構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究はHeプラズマ照射によるタングステン表面のナノスケールの特殊な微細構造がどのように変化するのかを調べるため、100 MW/m^2を超える極大熱パルスによって短時間の高温状態を作り出し、微細構造の変化を調べたものである。本研究では、研究対象として、タングステン試料をHeプラズマに曝露した際に形成される、Heバブルが表面に到達して穴状に残ったホールと呼ばれる構造に対して熱パルスを与える実験を行った。熱パルスは電子ビームを用いた熱負荷試験装置ACT2（Active Cooling teststand 2）を用いて、核融合炉のパルス的熱負荷などと近い、500 MW/m^2、0.5ミリ秒のパルスを与えた。熱パルス後の試料の表面を電子顕微鏡で撮影し、画像内のホールの数や大きさを画像解析によって取得した。結果、熱パルス時のピーク温度によって、ホールが消滅したり、ホール密度が増加することが明らかとなり、さらにピーク温度の低いビーム周縁部ではホール密度の変化は見られなかった。これは材料内部の数ナノメートルのHe泡が熱パルス中に内部拡散し、表面から脱離してホールを形成したり、更に高温になると構造がタングステン原子の表面拡散により"均された"と考えられる。このようにミリ秒オーダーでのHe泡の挙動を調べることは、電子ビームを用いた極大熱パルスを利用することで始めて実現したものであった。
また、本研究開始後のCOVID-19による海外渡航制限のため、申請時に予定していた海外装置でのプラズマ照射が行えなかったため、核融合科学研究所の直線型プラズマ装置TPD-IIに、新たな試料照射ホルダを設計・制作した。この試料ホルダは試料温度を制御するための外部加熱ヒーター、水冷システム、空冷システムを単独、もしくは並列に動作させて目標とする照射温度を維持することが可能であり、今後の詳細研究の発展も期待できる。