2015 Fiscal Year Research-status Report
パルス高熱負荷照射と磁場印加によるプラズマ対向材溶融層のダイナミクス研究
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26420854
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
福本 直之 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90275305)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
永田 正義 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00192237)
菊池 祐介 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00433326)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | プラズマガン / プラズマ対向材 / 熱負荷照射 / タングステン溶融層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，核融合科学研究所内に設置されている磁化同軸プラズマガン（MCPG）であるSPICA装置を用いて，プラズマ対向壁材料に対してパルス熱負荷模擬試験を行っている．本年度は，磁場印加装置等の改良により磁場印加強度およびタイミングを変化させて，タングステン（W）板に形成される溶融層および飛散するドロップレットの様相を観測した．そして，磁場中では，形成された溶融層の挙動が抑制され，飛散するドロップレットが減少することが確認できた．そのドロップレットの飛散量を，高速カメラによる撮影で得られた画像を前後時間でのフレームで差分を取り，それを二値化したデータから飛散（移動）するドロップレットを抽出することで算出した．ドロップレット飛散量のデータから，磁場強度や方向に対する依存性を調べた．その結果，磁場の増加とともに，ドロップレットの飛散量が抑制されることが明らかとなった．さらに，磁場の方向により，飛散方向に偏りがあることも明らかとなった．その偏りは，磁場が強いほど大きく現れた．また，プラズマ照射による熱負荷入力をより正確に評価するため，カロリーメータのヘッドチップ部を改良し，計測を行った．大学での基礎実験の結果とも比較した結果，SPICA装置（バイアスコイル：120A，ガン放電電圧：14-16kV）の内部電極先端から21mm離れた位置では，0.1MJ/m2程度のエネルギー密度の熱負荷であることが分かった．また，磁場を印加した場合の熱負荷入力の変化についても調べた．その結果，磁場の増加とともに熱負荷が減少する傾向であった．このことから，W板に照射されるCTプラズマ塊が，SPICA装置から射出直前に印加磁場の影響を受け，減速している可能性があることが分かった．今後は，これらの影響も考慮し，磁場中での溶融層の形成とドロップレット飛散の解析が必要であることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
昨年度の成果により明らかとなったプラズマ対向壁材料の溶融層の生成条件をもとに，SPICA装置によりコンパクト・トーラス（CT）プラズマを生成・加速し，タングステン（W）板への照射を行った．そして，高速カメラを用いた観測により，磁場を印加したW材料表面の溶融層の形成と，そこからのドロップレットの飛散を調べた．その他計測により，溶融層形成とドロップレット飛散の状況再現に必要は実験条件を確立した．これにより，W材料表面における溶融層形成とドロップレットの飛散を効率的に再現し，それらの磁場中での挙動観測実験的を行った．その結果，磁場印加により，溶融層の挙動が抑制され，ドロップレットの飛散も磁場強度および方向に依存していること示すデータを得ることに成功した．また，ロゴスキーコイルや，ヘッドチップを改良したカロリーメータにより，磁場中での照射熱負荷を調べた．その結果から，SPICA装置のCTプラズマ射出口付近においても印加磁場の影響が示唆され，磁場中での溶融層の形成とドロップレット飛散の解析，評価においては，磁場印加時の照射熱負荷の変化等を考慮する必要であることが分かった．研究計画全体としては，想定よりも早期に溶融層の形成とドロップレット飛散の再現を確立することで，磁場中における高パルス熱負荷照射によるW材料表面の溶融層の形成とドロップレット飛散の挙動観測に成功し，新たな知見をえることができた．今後，磁場中における融層の形成とドロップレット飛散の詳細を解明する実験を実施する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
プラズマ対向壁材料への照射実験による材料表面の溶融・損傷評価の研究として，SPICA装置を用いてW板表面に形成される溶融層およびドロップレット飛散の磁場中での挙動の詳細を調べる．高速カメラを用いた溶融層形成過程の観測，また，プローブ等も用いて表面温度や周辺状況の観測を行い，パルス高熱負荷照射による溶融層のダイナミクスの詳細を明らかにするとともに，磁場中での溶融層およびドロップレット飛散挙動の変化を調べ磁場依存性についても明らかにする．パルスプラズマ塊，それに続くプラズマフローや中性ガスフローの溶融層の挙動への影響についても調べる．
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| Causes of Carryover |
今年度後半に，不測の事態として，真空排気関係機器に不具合が生じた．溶融層形成やドロップレット飛散の周辺状態を調べるため，新規のサンプルホルダーやプローブ等の製作は必要である．これら関連機器の開発・製作は大学で行っており，その試験等に真空容器は必須である．そこで，真空排気関係機器を更新することを最優先とし，実験用真空容器の構造の簡素化と学内工作ンターでの製作，また，計測のチャンネル数の削減等により，当初予定よりも費用を抑えた．そして，その関連予算を次年度に繰り越し，真空排気関係機器の早期の更新に当てることとした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２７年度は，磁場印加中におけるW板表面の溶融層の形成とドロップレット飛散の状況について，当初の想定以上に明らかにし，状況再現に必要な実験条件を確立することに成功した．これにより，溶融層の形成とドロップレット飛散の状況の詳細観測と解析に資源を集中することが早期に可能となった．そのため，周辺状態を調べるためのサンプルホルダーやプローブ等の製作に必要な真空排気関係機器を更新することを優先することは，研究計画全体としても好影響に作用し，確実な研究遂行に繋がると判断できる．
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