Melt layer dynamics and solidification behavior of tungsten by pulsed heat loading and evalution of surace protection layer

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25249132
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 上田 良夫 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30193816)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中村 浩章 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (30311210) ; 帆足 英二 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40520698) ; 鈴木 哲 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 ITERプロジェクト部, グループリーダー(定常) (60354619) ; 伊庭野 健造 大阪大学, 工学研究科, 助教 (80647470) ; Lee Heun Tae 大阪大学, 工学研究科, 助教 (90643297)
• Project Period (FY): 2013-05-31 – 2017-03-31
• Keywords: タングステン / ディスラプション / パルス熱負荷 / 溶融挙動

Outline of Annual Research Achievements

パルスレーザー照射により生じた溶融タングステンの表面からの熱輻射を、高速カメラを用いて撮影し、表面の2次元温度分布の時間変化を計測するとともに、２方向から表面を撮影したステレオ画像分析法により、表面形状の変化を測定することを試みた。この結果、レーザー照射スポットの表面温度分布の時間変化測定が可能となった。また、ステレオ撮像により、凝固後の表面形状はおおむね再現できたが、レーザー照射中は熱輻射が大きく、今後レーザーバックライト法などを使用する必要があると思われる。また、レーザーエネルギーを変化させて溶融層のレーザー吸収率を測定したところ（パルス幅 4 ms）、12Jを超えるエネルギーからレーザーの吸収率が３０％程度から６０％程度まで増加した。これは表面温度が沸点に近づき、表面形状不安定性が発生しているためと推察される。
さらに、タングステンにAlやSn等の中間原子番号元素の被膜を形成して、パルス熱負荷に対する保護効果を調べる実験を行ったところ、Alの場合は、1ミクロン程度の膜厚で、効果的に保護作用が見られたのに対して、Snの場合は、表面が突出し、今後このメカニズムの解明が必要と考えている。
これらの実験結果を理解するために、C-CUP法液体金属挙動のシミュレーションを行った。定量的な対応性がやや不十分であり、今後研究を続ける。また、壁材料から放出された粒子のエッジプラズマにおける挙動や，プラズマへの影響、及び壁材料への熱負荷の変化をシミュレーションできるコードの開発を、PICシミュレーションに対して行った。その結果、Alとほぼ同等の蒸気圧特性を持つ、Beでは蒸気遮蔽効果が効率的に行われるが、Wについては蒸気遮蔽効果が少ないことが示された。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学サンディエゴ校(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: カリフォルニア大学サンディエゴ校
• [Int'l Joint Research] ユーリッヒ研究センター(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: ユーリッヒ研究センター
• [Int'l Joint Research] オランダ基礎エネルギー研究所(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: オランダ基礎エネルギー研究所
• [Journal Article] Laser energy absorption coefficient and in-situ temperature measurement of laser-melted tungsten (2017)
  • Author(s): T. Maeji, K. Ibano, S. Yoshikawa, D. Inoue, S. Kuroyanagi, K. Mori, E. Hoashi, K. Yamanoi, N. Sarukura, Y. Ueda
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.04.025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molten layer characteristics of W materials and film coated W by pulsed laser irradiation (2017)
  • Author(s): D. Inoue, K. Ibano, S. Yoshikawa, T. Maeji, Y. Ueda
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.03.160
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Observation and particle simulation of vaporized W, Mo, and Be in PISCES-B plasma for vapor-shielding studies (2017)
  • Author(s): K. Ibano, D. Nishijima, J.H. Yu, M.J. Baldwin, R.P. Doerner, T. Takizuka, H.T. Lee, Y. Ueda
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.nme.2017.01.016
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Damage and deuterium retention of re-solidified tungsten following vertical displacement event-like heat load (2017)
  • Author(s): Y. Hamaji, H.T. Lee, A. Kreter, S. Moller, M. Rasinski, M. Tokitani, S. Masuzaki, A. Sagara, M. Oya, K. Ibano, Y. Ueda, R. Sakamoto
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.nme.2016.11.003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of periodic deuterium ion irradiation on deuterium retention and blistering in Tungsten (2017)
  • Author(s): M. Oya, H.T. Lee, A. Hara, K. Ibano, M. Oyaidzu, T. Hayashi, Y. Ueda
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1016/j.nme.2017.03.022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simulations of Tungsten Re-deposition Using a Particle-In-Cell Code with Non-uniform Super Particle Sizes (2016)
  • Author(s): K.Ibano,S.Togo,T.L.Lang,Y.Ogawa,H.T.Lee,Y.Ueda,T.Takizuka
  • Journal Title: Contrib.Plasma Phys. Volume: 56 Pages: 705-710
  • DOI: 10.1002/ctpp.201610040
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 重み付粒子法におけるクーロン衝突モデル (2016)
  • Author(s): 田中愛士, 伊庭野健造, 滝塚知典, Heun Tae Lee, 上田良夫
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] 再結晶温度を超える温度におけるタングステンのスパッタリング特性 (2016)
  • Author(s): 上西克尚、Lee Heun Tae、伊庭野健造、上田良夫
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] 磁化プラズマガンを用いたELM 様パルスプラズマ照射におけるプラズマ・蒸気混合層の発光分光計測 (2016)
  • Author(s): 中根 優人，菊池 祐介，伊庭野 健造，上田 良夫，福本 直之，永田 正義
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] Be 堆積層由来蒸気によるプラズマ冷却効果の観察 (2016)
  • Author(s): 伊庭野 健造, 西島 大輔, Jonathan Yu, Matthew Baldwin, Russ Doerner, Lee Heun Tae, 上田 良夫
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] レーザー溶融によるタングステン材料の特性評価と薄膜層による保護効果 (2016)
  • Author(s): 井上大輔、伊庭野健造、前地剛、Lee Heun Tae、上田良夫
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] 第5,6族元素に対するヘリウム誘起ナノ構造の研究 (2016)
  • Author(s): 大森晃平, 伊藤篤史, 山下直人, 志賀紘輝, 伊庭野健造, Lee Heun Tae, 上田良夫
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] レーザー振動計を用いたタングステンモノブロックにおける亀裂深さ測定 (2016)
  • Author(s): 上田和輝，Lee Heun Tae，安藤颯介，上田良夫
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] 第六周期金属へのヘリウムプラズマ照射によるヘリウム誘起ナノ構造形成条件 (2016)
  • Author(s): 志賀紘輝、大森晃平、山下直人、伊庭野健造、Lee Heun Tae、上田良夫
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] タングステンのレーザー熱負荷試験におけるエネルギー吸収率の測定と溶融挙動の観測 (2016)
  • Author(s): 前地剛, 伊庭野健造, 井上大輔, 黒柳進平, 森一公, 帆足英二, 山ノ井航平, 猿倉信彦, 上田良夫
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] PHENIX計画の概要 (2016)
  • Author(s): 上田良夫、波多野雄治、横峯健彦、檜木達也、長谷川晃、大矢恭久、Daniel Clark、A. Sabau、 M. Yoda、 L. Y. Katoh、 L. Garrison、 M. Shimada、D. Buchenauer
  • Organizer: 第33回プラズマ・核融合学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学青葉山キャンパス（宮城県、仙台市）
  • Year and Date: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [Presentation] Tungsten and Iron sputtering properties over recrystallization temperature (2016)
  • Author(s): UENISHI, Katsunao; LEE, Heun Tae; IBANO, Kenzo; UEDA, Yosio
  • Organizer: 29th Symposium on Fusion Technology(SOFT2016)
  • Place of Presentation: Prague Congress Centre (Prague,Czech Republic)
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Erosion and morphology changes of F82H steel under simultaneous hydrogen and helium irradiation (2016)
  • Author(s): YAKUSIJI, Koki; LEE, Heun Tae; OYA, Makoto; TOKITANI, Masayuki; SAGARA, Akio; HAMAJI, Yukinori; IBANO, Kenzo; UEDA, Yoshio
  • Organizer: 29th Symposium on Fusion Technology(SOFT2016)
  • Place of Presentation: Prague Congress Centre (Prague,Czech Republic)
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of tungsten optical absorption rate and dynamics of W melting behavior (2016)
  • Author(s): MAEJI, Takeru; IBANO, Kenzo; YOSHIKAWA, Satoru; INOUE, Daisuke; KUROYANAGI, Shinpei; MORI, Kazuyuki; HOASHI, Eiji; YAMANOI, Kohei; SARUKURA, Nobuhiko; UEDA, Yoshio
  • Organizer: 29th Symposium on Fusion Technology(SOFT2016)
  • Place of Presentation: Prague Congress Centre (Prague,Czech Republic)
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molten layer characteristics of W materials and it’s protective coatings by pulsed laser irradiation (2016)
  • Author(s): INOUE, Daisuke; IBANO, Kenzo; YOSHIKAWA, Satoru; MAEJI, Takeru; UEDA, Yoshio
  • Organizer: 29th Symposium on Fusion Technology(SOFT2016)
  • Place of Presentation: Prague Congress Centre (Prague,Czech Republic)
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sensitivity analysis of tritium retention in tungsten walls using a fusion reactor simulation code (2016)
  • Author(s): IBANO, Kenzo; LEE, Heun Tae; UEDA, Yoshio
  • Organizer: 29th Symposium on Fusion Technology(SOFT2016)
  • Place of Presentation: Prague Congress Centre (Prague,Czech Republic)
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of Simulation Method for Predicting Tungsten Behavior Loaded by High Heat Flux (2016)
  • Author(s): HAMAGUCHI, Kohei; HOASHI, Eiji; OKITA, Takafumi; IBANO, Kenzo; UEDA, Yoshio
  • Organizer: 29th Symposium on Fusion Technology(SOFT2016)
  • Place of Presentation: Prague Congress Centre (Prague,Czech Republic)
  • Year and Date: 2016-09-05 – 2016-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非接触ダイバータプラズマシミュレーションにおける温度非等方性の粘性近似の影響 (2016)
  • Author(s): 東郷訓、滝塚知典、中村誠、星野一生、伊庭野建造、小川雄一、坂本瑞樹
  • Organizer: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス椎木講堂（福岡県、福岡市）
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-15
• [Presentation] 日米協力PHENIX計画における3年間の成果と後半の研究展開 (2016)
  • Author(s): 波多野雄治、上田良夫、Daniel Claｒk、横峯健彦、Adrian S.Sabau、Minami Yoda、 檜木達也、長谷川晃、Yutai Katoh、Lauren M.Garrison、大矢恭久、 Masashi Shimada、Dean Buchenauer、福田誠、田中照也、室賀健夫
  • Organizer: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス椎木講堂（福岡県、福岡市）
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-15
• [Presentation] 高出力プラズマアークランプによるタングステン材料の熱疲労試験 (2016)
  • Author(s): 伊庭野建造、Adrian Sabau、徳永和俊、檜木達也、秋吉優史、加藤雄大、上田良夫
  • Organizer: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス椎木講堂（福岡県、福岡市）
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-15
• [Presentation] 照射回数の変化がタングステン中の水素同位体挙動に与える影響 (2016)
  • Author(s): 大宅諒、Lee Heun Tae、伊庭野建造、上田良夫、小柳津誠、林巧
  • Organizer: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス椎木講堂（福岡県、福岡市）
  • Year and Date: 2016-07-14 – 2016-07-15
• [Presentation] The comparison of helium induced nanostructures between period 5 elements and period 6 elements (2016)
  • Author(s): K. Omori, K. Shiga, K. Ibano, H.T. Lee, Y. Ueda, A. M. Ito
  • Organizer: 18th International Congress on Plasma Physics(ICPP2016)
  • Place of Presentation: Kaohsiung Exhibition Center (Kaohsiung, Taiwan)
  • Year and Date: 2016-06-27 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Helium plasma irradiation on period 6 metals (2016)
  • Author(s): K.Shiga, K.Omori, K.Ibano, Lee Heun Tae, Y.Ueda
  • Organizer: 18th International Congress on Plasma Physics(ICPP2016)
  • Place of Presentation: Kaohsiung Exhibition Center (Kaohsiung, Taiwan)
  • Year and Date: 2016-06-27 – 2016-07-01
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nature of hydrogen trap sites in damaged tungsten at elevated temperature (2016)
  • Author(s): Y. Ueda, H.T. Lee, T. Yamane, K. Uehata, M. Oya, K. Ibano, Y. Hatano
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tritium diffusion and isotope exchange in damaged tungsten (2016)
  • Author(s): H.T. Lee, K. Uehata, Y. Torikai, Y. Hamaji, M. Oya, K. Ibano, Y. Ueda
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of irradiation cycle number on Deuterium retention and blistering in Tungsten (2016)
  • Author(s): M. Oya, H.T. Lee, A. Hara, K. Ibano, M. Oyaidzu, T. Hayashi, Y. Ueda
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of vaporized W, Mo, and Be in PISCES-B plasma and validation of a particle code for the vapor-shielding study (2016)
  • Author(s): K. Ibano, D. Nishijima, J.H. Yu, M.J. Baldwin, R.P. Doerner, T. Takizuka, H.T. Lee, Y. Ueda
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Damage and deuterium retention of re-solidified tungsten following vertical displacement event-like heat load (2016)
  • Author(s): Y. Hamaji, H. T. Lee, A. Kreter, S. Moller, M. Rasinski, M. Tokitani, S. Masuzaki,A. Sagara, M.Oya, K. Ibano, Y. Ueda, R. Sakamoto
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fuel retention and transport in tungsten: neutron irradiation, seeded impurities, alloying and isotope effects (2016)
  • Author(s): Y. Hatano, V. Kh. Alimov, K. Schmid, R. Doerner, Y. Ueda
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Tungsten fiberform nanostructure (W-fuzz) formation in ultra-long pulse helium discharge in LHD (2016)
  • Author(s): M. Tokitani, S. Masuzaki, H. Kasahara, Y. Yoshimura, R. Sakamoto, N. Yoshida, Y. Ueda,T. Mutoh, LHD experiment group, S. Nagata
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasma-vapor mixed layer formation and its effects on energy transfer processes from ELM-like pulsed plasma heat loads to tungsten materials (2016)
  • Author(s): Y. Kikuchi, I. Sakuma, T. Nakazono, W. Isono, M. Nakane, N. Fukumoto, M. Nagata, T.W. Morgan, K. Bystrov, K. Ibano, Y. Ueda
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Surface and Near-surface Degradation of Tungsten Monoblock Divertor Mockup under Cyclic Heat Load by JEBIS (2016)
  • Author(s): S. Nogami, W.H. Guan, A. Sakata, M. Toyota, M. Fukuda, A. Hasegawa, Y. Ueda, S. Suzuki
  • Organizer: 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices(PSI2016)
  • Place of Presentation: Pontifica Urbaniana University (Roma, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research