表面ナノ構造を有するタングステンの水素同位体吸蔵特性と水素リサイクリングへの影響

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01059
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 坂本 瑞樹 筑波大学, 数理物質系, 教授 (30235189)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 皇甫 度均 筑波大学, 数理物質系, 助教 (00870908) ; 江角 直道 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20321432)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Keywords: 重水素吸蔵特性 / タングステン / 表面ナノ構造 / 水素透過

Outline of Annual Research Achievements

プラズマ対向壁からの水素同位体放出（脱離）特性は水素リサイクリングに密接に関わる課題である。これまでにタングステン繊維状ナノ構造からの低温（<400K）での水素同位体脱離が観測されており、この物理機構を調べるために小型プラズマ生成装置APSEDASを用いて実験を行った。ここでは、10mm×10mm×0.2mmのタングステン試料にヘリウムプラズマを2.5×10^25 He m^-2のフルエンスで照射し、試料温度1300Kで-50Vのバイアス電圧を印加して表面に繊維状ナノ構造を形成した試料、試料温度1150Kで+10Vのバイアス電圧を印加して表面に繊維状ナノ構造を作らずヘリウムバブルのみを形成した試料とヘリウムプラズマを照射しない試料の３種類の試料を準備し、これらの試料を重水素プラズマから約10cm離れた位置に磁場と平行に設置することで重水素原子のみをほぼ室温で照射した。重水素原子を照射した後に、それぞれの試料の昇温脱離スペクトル測定を行った。３種類ともに360K付近に脱離ピークが見られたが、繊維状ナノ構造を有する試料と繊維状ナノ構造はなくヘリウムバブルのみ有する試料の重水素脱離量は、ヘリウムプラズマを照射していない試料の重水素脱離量に比べて、それぞれ120倍と60倍と大きく脱離量が増えることが明らかとなり、ヘリウムバブルの重水素低温脱離の寄与が示された。
さらに、繊維状ナノ構造に重水素プラズマを照射した後、走査透過電子顕微鏡（STEM）-電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いてヘリウムバブルとその近傍からのヘリウムと重水素に起因する信号の解析を行い、ヘリウム密度の低いバブル内もしくはその周辺に重水素が捕捉されていること、試料温度を室温から423Kに上げることで捕捉されていた重水素が脱離することが示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

タングステンの繊維状ナノ構造の重水素吸蔵特性に関して、重水素の低温脱離に関する実験データを体系的に解析し、その物理機構を示唆することができた。さらに、走査透過電子顕微鏡（STEM）-電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いて、繊維状ナノ構造内のヘリウムバブルとその近傍に捕捉されたヘリウムと重水素の密度と温度上昇に対する密度変化に関するデータを得ることができ、繊維状ナノ構造の重水素吸蔵メカニズムに関する考察を深めることができた。

Strategy for Future Research Activity

走査透過電子顕微鏡（STEM）-電子エネルギー損失分光法（EELS）の解析方法を改良して定量的な議論を行う。さらに、試料へのYAGレーザー照射時の高速の表面温度変化を測定するシステムを開発し、これまでに整備した重水素透過プローブ、YAGレーザー照射システムを組み合わせた実験を行い、水素透過に対する間欠的熱負荷の影響を明らかにする。

Research Products

• [Presentation] Investigation of low temperature desorption peaks of deuterium and helium in tungsten nanostructured layers (2023)
  • Author(s): K. Saito, D. Hwangbo, K. Takatsu, M. Kusumoto, H. Yoshida, K. Onoda, R. Sasaki, S. Murakami, M. Sakamoto
  • Organizer: 19th International Conference on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The appearance of deuterium low temperature desorption at modified tungsten surfaces under helium pre-exposure conditions (2023)
  • Author(s): Kota Saito, D. Hwangbo, H. Yoshida, K. Onoda, R. Sasaki, S. Murakami, T. Okugi, A. Kataniwa, H. Kida, Ma. Sakamoto, Mi. Sakamoto
  • Organizer: Global Plasma Forum in Aomori
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Correlation of tungsten surface morphology changes and deuterium absorption properties by deuterium plasma exposure with pulsed heat load (2023)
  • Author(s): R. Sasaki, D. Hwangbo, K. Saito, K. Onoda, S. Murakami, H. Yoshida, M. Sakamoto
  • Organizer: Global Plasma Forum in Aomori
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重水素プラズマと間欠的熱負荷の同時照射によるタングステン表面形状および重水素吸蔵特性の変化 (2023)
  • Author(s): 佐々木亮, 皇甫度均, 齋藤康太, 吉田晴, 小野田和孝, 村上創, 坂本瑞樹
  • Organizer: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会
• [Presentation] タングステン中の重水素低温脱離に対する ヘリウム照射効果及び表面構造の影響 (2023)
  • Author(s): 齋藤康太, 皇甫度均, 吉田晴, 小野田和孝,佐々木亮, 村上創, 奥木拓斗, 片庭葵, 木田花, 阪本真理明, 坂本瑞樹
  • Organizer: 第40回 プラズマ・核融合学会 年会