2013 Fiscal Year Annual Research Report
パルス高熱負荷によるタングステン材料の溶融・凝固挙動の解明と表面保護層の評価
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25249132
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
上田 良夫 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30193816)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
帆足 英二 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40520698)
鈴木 哲 独立行政法人日本原子力研究開発機構, その他部局等, 研究員 (60354619)
大塚 裕介 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70294048) [Withdrawn]
LEE Heun Tae 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90643297)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2017-03-31
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| Keywords | タングステン / 非定常熱負荷 / 溶融層ダイナミクス / CIPシミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、トカマクプラズマで発生する非定常熱負荷（ディスラプション、ELM）をタングステンに与えた場合の表面溶融・表面損傷に関して、パルスレーザーを用いた熱負荷実験と新たな手法による溶融層のシミュレーションを組み合わせて、現象の解明とタングステンプラズマ対向材料の修復や長寿命化の方策を探る。さらに、ITERで使用される予定のタングステンモノブロックを利用して表面損傷を与えた場合の熱除去特性への影響を明らかにする。平成25年度の成果としては以下の通りである。
（１）非定常熱負荷を模擬するためのパルスレーザーの仕様（特にスポットサイズやパワー）について詳細に検討を行い、パワーの異なる2つの出力端を持つ、特別仕様のパルスレーザーを購入した。
（２）レーザー照射に必要な真空容器システム一式を購入し、レーザーと組み合わせて実験を行うためのシステムを構築した。
（３）大気中でレーザーパワーやパルス幅を変えて系統的な予備照射実験を行い、実験に必要な特性が得られていることを確認し、溶融層挙動についての基礎的なデータを得た。
（４）表面損傷（亀裂、凝固層、等）を持つWモノブロック（ITER仕様）に対して、ITER条件の定常熱負荷（10 MW/m2）、及び非定常熱負荷（20 MW/m2、Slow transient）による熱疲労実験を行い、表面損傷がコンポーネント全体の熱除去性能に与える影響を評価した。
（５）タングステンの溶融層をシミュレーションするCIPシミュレーションコードの開発を行い、特にタングステンのEOSについて評価した。
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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
Wの溶融実験を行うための実験装置の整備が順調に進み、当初予定していた予備実験まで行っている。さらに表面堆積層の影響を評価するための、装置整備（マグネトロンスパッタ装置による成膜環境の整備）と、W上の堆積層へのパルス熱負荷実験（パルスプラズマを使用）を行った。表面損傷を持つWモノブロックの熱疲労試験を実施した。これらの成果は当初予定されていた内容にほぼ対応するものであり、研究はおおむね順調に進んでいると判断される。
さらに詳しい内容を以下で示す。溶融実験のために必要とされるパルス幅（0.25 msから5 ms）とエネルギー密度（吸収熱負荷、最大6.4 GW/m2）を有するレーザーシステムを購入し、真空中で熱負荷実験を行うためのシステムを構築し、大気中ではあるものの、パルス幅やエネルギー密度を変えてタングステンに照射し、予備的な実験データを得ることができた。また、これらの結果はおおむね温度シミュレーション結果と対応した。さらに、表面損傷を持つITER仕様の強制冷却Wモノブロックに対して、ITERの実験条件に準拠した熱疲労試験を行い、モノブロックの熱除去性能に大きな影響のないことを確認した。W溶融層のCIPシミュレーションについては、EOSの評価が難しく、実験に対応する結果を得るところまでは至っていないが、着実に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
Wの溶融層の解明という観点から以下の様な研究を次年度に行う予定である。
（１）種々のタングステン材料（純W、W-Ta合金、W-Re合金、TFGR-W、等）について、真空中で（表面酸化の影響を避けるため）、パルス幅やエネルギー密度をディスラプションで予測される範囲（パルス幅：0.25~5 ms、吸収エネルギー密度：最大6 GW/m2）で変化させて溶融層の挙動（溶融後の凝固層の形状）を系統的に調べる。またこの結果を、簡単な温度発展のシミュレーションと比較する。このために必要な表面温度の時間変化を測定するための2色放射温度計を整備する。さらに凝固層の表面形状をレーザー顕微鏡等で詳細に調べて、表面不安定性発現条件などを評価する。
（２）表面損傷を持ち、その後熱疲労試験を行ったタングステンのモノブロック試料に対してさらに溶融限界以下の繰り返し熱負荷試験を行い、表面層の亀裂の発展や粒界放出などの現象の発生についてあたらな知見を得る。
（３）Wの溶融層のCIPシミュレーションコードを完成させ、予備的なシミュレーション結果を得る。特に、ミリ秒の現象に重要な表面張力の影響やそれに関連するマランゴニ対流の影響をシミュレーションに取り込む。
（４）表面堆積層を有するタングステン試料を作成し、熱負荷を与えることで、表面層の溶融・蒸発挙動を調べ、さらに基板となるタングステンの損傷についても、予備的な結果を得る。
（５）溶融層のベーパーシールド現象をシミュレーションするためのコードの開発を行う。第一段階として1次元の系を考え、特にプラズマ・W材料界面のシースを正確に表現できるようなコードの開発を目指す。
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[Journal Article] Deuterium retention in Toughened, Fine-Grained Recrystallized Tungsten2013
Author(s)
M. Oya,K. Uekita,H.T. Lee,Y. Ohtsuka,Y. Ueda,H. Kurishita,A. Kreter,J.W. Coenen,V. Philipps,S. Brezinsek,A. Litnovsky, K. Sugiyama,Y. Torikai
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Journal Title
Journal of Nuclear Materials
Volume: 438
Pages: S1052-S1054
DOI
Peer Reviewed
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