2014 Fiscal Year Research-status Report
プラズマ熱パルスによるタングステン表面への熱流入過程と溶融・蒸発の効果
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26420855
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| Research Institution | Aichi Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高村 秀一 愛知工業大学, 工学部, 教授 (40023254)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上杉 喜彦 金沢大学, 電子情報学系, 教授 (90213339)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | プラズマ・核融合 / タングステン / 溶融 / 蒸発 / ダイバータ / 運動量注入 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) プラズマ発生装置AIT-PIDの金沢大における立上げ： ヘリウムやアルゴン放電はもちろん、重水素放電高熱流プラズマの生成に成功し、現在標準的に稼働している。加えて、ネオン放電を行うことができ、高融点金属（タングステンとモリブデン）へのネオン照射効果の初期結果を得ることができた。
(2) 高温電子を含むプラズマにおけるパワー伝達係数（PTF）評価： ヘリウムプラズマの場合のPTFに関しては、2013年9月末に開かれた第１４回周辺プラズマ理論国際ワークショップにおいて、既に得られている実験を説明する理論構築を行い、本年度Contribution to Plasma Physics論文として公表された。また、重水素プラズマに対するPTFに関しては2014年5月末に開かれたＰＳＩ国際会議で発表され、Journal of Nuclear Materials論文として印刷中である。材料表面形態によるイオンのエネルギー反射係数の変化の効果と電子放出に伴う冷却効果が重水素プラズマでも追認された。
(3) 重水素プラズマ熱パルスに対するタングステン材料表面の応答： これまで得られた実験データををまとめ、学会や研究会での議論を経て、国際誌Nuclear Fusion論文として公表された。電子放出が熱流入に及ぼす効果、3000℃に至る昇温を経て、タングステンの溶融・蒸発、プラズマ中への異常浸透を観測した。更には、熱パルスによるタングステン板への興味深い駆動力（運動量注入）の観測にも成功した。
(4) タングステンのヘリウム照射効果の一つである、繊維状ナノ構造形成の物理機構の解明： 繊維状ナノ構造形成過程の先躯体としてループ構造があることを提唱、さらにヘリウム原子内蔵する金属の剛性率と金属内のヘリウムの移動性の二つの観点から種々の高融点金属におけるナノ構造形成を統一的に論じた。
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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
当初の研究目的は「プラズマ熱負荷に力点を置き、タングステン材料表面からの電子放出に注目し、ヘリウム損傷やタングステン製造法の相違の影響を勘案しつつ、静的には熱伝達係数のシース電圧依存性の理論構築と実験遂行を、また動的には重水素プラズマのパルス熱負荷応答をシース電圧の時間変化に注意を払いつつ溶融に近い3000 ℃以上の昇温に至る素過程を、更には高速カメラで得られた蒸発タングステンの時空パターンからＰＷＩに及ぼす反作用や溶融に及ぼす効果等を学術的に明らかにする。」である。昨年末に完成し、現在印刷中のJournal of Nuclear Materialsで明らかにした、パワー伝達係数並びに本年度末に達成した、Nuclear Fusion誌での論文発表により、この目的の７０％以上得られたのではないかと自己評価している。
しかし、これらの実験や理論・解析により、得られた成果をさらに発展させ、次の新しい段階に研究を飛躍的に持ち上げ、ＩＴＥＲに代表される核融合研究において、基礎的観点から先取りする研究の展開を可能にすることが望ましい。
すなわち、タングステンの融点を十分超える昇温を実現し、この場合のプラズマ－壁相互作用を基礎課程から明らかにする。例えば、タングステンのプラズマ中への異常浸透過程や蒸気遮蔽効果の解明。プラズマ熱パルスのタングステン板への反作用（運動量注入）、特に溶融層への駆動力の効果を溶融表面形態観察を中心に実験的に明らかにする。
このように当初の目的を超えて新しい段階に進める素地ができたため、上記の達成度の評価を行った次第である。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）重水素プラズマ熱パルスに対するＷ材料表面の応答：既設パルス電源（750 V, 300 A, < 50 ms）により200 kWの追パワー投入が可能である。これによりＷの融点を十分超える昇温を実現する。その際、Ｗ原子の発光線WI（498.3 nm）を干渉フィルターを通して高速カメラで取得し、その時空変化からＷの溶融・蒸発過程を調べる。異常なＷの吹き出しパターン発生の原因を深く追及する。前年度に準備した応答時間が1 msと高速で、最高温度：3300 ℃の性能を持つ、LumaSense社の光ファイバー放射温度計を稼働する。また、三探針計測によりパルス・プラズマ・パラメータの同定を行う。
また、Ｗ標的板のパルスに伴う運動より運動量注入を評価する。と同時に表面溶融層のダイナミクスに留意する。
（２）効率的パルス熱負荷生成法の確立：パルスプラズマ熱負荷生成法として、定常プラズマ生成のための直流放電陰極（LaB6, C3, 直径20mm×長さ45mm）と対向して、小型C2のLaB6 (直径10mm×長さ17.5mm)にパルス負電圧を印加する方式を採用してきた。しかし、重水素プラズマ放電特性が極めて安定であるので、電気回路的に工夫して、熱電子放出能力が格段に高い定常放電陰極にパルス負電圧を重畳する形で実現し、インピーダンスを下げ、200 kW, 1 ～ 50 ms パルス熱負荷投入を実現する。ターゲットの厚さの選択により溶融に至る詳しい過程が調べられるレベルと考えている。本実験の実現のためパルス電源のスイッチング素子IGBTの能力を活用して電流供給能力を150A から300A に向上している。
パルスプラズマ発生において、陰極給電部と容器壁との間でアークが発生することがあり、原因を明らかにして慎重に対処し、信頼できる発生法を実現する。
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| Causes of Carryover |
この金額で購入できる物品等の必要性がなく、次年度の予算と合わせて有効に活用した方がよいと判断したため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度の予算に組み込み、タングステン等の材料費として有効に使用する予定。
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[Journal Article] Hybrid simulation research on formation mechanism of tungsten nanostructure induced by helium plasma irradiation2015
Author(s)
A.M. Ito, A. Takamyama, Y. Oda, T. Tamura, R. Kobayashi, T. Hattori, S. Ogata, N. Ohno, S. Kajita, M. Yajima, Y. Nojiri, Y. Yoshimoto, S. Saito, S. Takamura, T. Murashima, M. Miyamoto, H. Nakamura
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Journal Title
Journal of Nuclear Materials
Volume: 463
Pages: 109-115
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Molecular dynamics and Monte-Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation2014
Author(s)
Ito, Atsushi; Takayama, Arimichi; Oda, Yasuhiro; Tamura, Tomoyuki; Kobayashi, Ryo; Hattori, Tatsunori; Ogata, Shuji; Ohno, Noriyasu; Kajita, Shin; Yajima, Miyuki; Noiri, Yasuyuki; Yoshimoto, Yoshihide; Saito, Seiki; Takamura, Shuichi; Murashima, Takahiro; Miyamoto, M; Nakamura, Hiroaki,
Organizer
25th Fusion Energy Conference
Place of Presentation
Saint Petersburg, Russia
Year and Date
2014-10-13 – 2014-10-18
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[Presentation] Molecular dynamics research on formation mechnism of tungsten nanostructure induced by helium plasma irradiation2014
Author(s)
A.M. Ito, A. Takayama, Y. Oda, T. Tamura, R. Kobayashi, T. Hattori, S. Ogata, N. Ohno, S. Kajita, M. Yajima, Y. Noiri, Y. Yoshimoto, S. Saito, S. Takamura and H. Nakamura
Organizer
21st International Conference on Plasma Surface Intractions in Controlled Fusion Devices
Place of Presentation
Kanazawa, Japan
Year and Date
2014-05-26 – 2014-05-30
Invited
