Effects of the surface morphologies on the plasma facing materials during the long pulse discharge in the large-sized plasma confinement devices

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26420857
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 時谷 政行 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30455208)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮本 光貴 島根大学, 総合理工学研究科, 准教授 (80379693) ; 笠原 寛史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (50435517) ; 吉村 泰夫 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (90300730)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: プラズマ・壁相互作用 / プラズマ・核融合 / 電子顕微鏡

Outline of Annual Research Achievements

平成27年度までに，核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)において，ヘリウム長時間放電に曝露させたSUS316L試料の詳細な表面分析およびヘリウム吸蔵特性評価が行われた．その結果より，炭素が主で鉄を僅かに含むMixed-material堆積層がLHDの第一壁表面に形成され，それらがヘリウム粒子を弱い捕捉力で捕らえていることが明らかになった．弱い捕捉力であるため，室温近傍～600Kまでの比較的低温度領域でヘリウムが急激に放出さる．以上の事実から，Mixed-material堆積層に捕捉されたヘリウム粒子がLHD長時間放電時の壁排気の担い手になっている可能性が高いと予測し，Mixed-material堆積層による壁排気率がLHD第一壁全体でどの程度になるかを見積もったところ，その壁排気率は，グローバル粒子バランス解析で得られた値と近いことがわかった．これにより，LHD長時間放電の妨げとなっている「①壁排気率の動的変化による密度制御の不安定化」がMixed-material堆積層の形成とそこへのヘリウム粒子の吸蔵・放出によって発生していることが示された．
また，Mixed-material堆積層がどのようなメカニズムで剥離してダストとなり，「②突発的な不純物混入によるプラズマ放電の停止」を引き起こしているのかを突き止めるために，堆積層の断面構造を透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察した．その結果，Feを多く含む堆積層で剥離を引き起こす際に，熱応力がきっかけとなって剥離するパターンと，堆積層中に捕捉されたガス元素によって形成されたブリスタリングがきっかけとなって剥離するパターンの２種類に分類できることが明らかとなった．
上記の結果より，「①壁排気率の動的変化による密度制御の不安定化」，「②突発的な不純物混入によるプラズマ放電の停止」の問題に対して有用な知見が得られた．

Research Products

• [Journal Article] Initial growth phase of W-fuzz formation in ultra-long pulse helium discharge in LHD (2017)
  • Author(s): M. Tokitani, S. Masuzaki, H. Kasahara, Y. Yoshimura, R. Sakamoto, N. Yoshida, Y. Ueda , T. Mutoh, LHD Experiment Group , S. Nagata
  • Journal Title: Nuclear Materials and Energy Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nme.2016.11.023
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Progress of Steady State Operation Using RF Heating in the LHD (2016)
  • Author(s): Y. Yoshimura, H. Kasahara, S. Kamio, M. Tokitani, R. Sakamoto, Y. Ueda, S. Kubo, T. Shimozuma, H. Igami, H. Takahashi, T.I. Tsujimura, R. Makino, T. Seki, K. Saito, R. Seki, T. Akiyama, N. Ashikawa, S. Masuzaki, G. Motojima, M. Shoji, C. Suzuki, H. Tanaka, K. Tanaka, T. Tokuzawa, I. Yamada, H. Yamada, T. Mutoh et al.
  • Journal Title: Proceedings of IAEA FEC 2016 Volume: - Pages: EX/P8-1
• [Journal Article] Progress of long pulse discharges by ECH in LHD (2016)
  • Author(s): Y. Yoshimura, H. Kasahara, M. Tokitani, R. Sakamoto, Y. Ueda, S. Ito, K. Okada, S. Kubo, T. Shimozuma, H. Igami, H. Takahashi, T.I. Tsujimura, R. Makino, S. Kobayashi, Y. Mizuno, T. Akiyama, N. Ashikawa, S. Masuzaki, G. Motojima, M. Shoji, C. Suzuki, H. Tanaka, K. Tanaka, T. Tokuzawa, H. Tsuchiya, I. Yamada et al.
  • Journal Title: Nuclear Fusion Volume: 56 Pages: 046005 (7pp)
  • DOI: doi:10.1088/0029-5515/56/4/046005
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Progress of Steady State Operation Using RF Heating in the LHD (2016)
  • Author(s): Y. Yoshimura, H. Kasahara, S. Kamio, M. Tokitani, R. Sakamoto, Y. Ueda, S. Kubo, T. Shimozuma, H. Igami, H. Takahashi, T.I. Tsujimura, R. Makino, T. Seki, K. Saito, R. Seki, T. Akiyama, N. Ashikawa, S. Masuzaki, G. Motojima, M. Shoji, C. Suzuki, H. Tanaka, K. Tanaka, T. Tokuzawa, I. Yamada, H. Yamada, T. Mutoh et al.
  • Organizer: 26th IAEA Fusion Energy Conference
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2016-10-17 – 2016-10-22
  • Int'l Joint Research
• [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
  • Place of Presentation: Rome, Italy
  • Year and Date: 2016-05-30 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research