| Project/Area Number |
21H04456
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
花田 和明 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (30222219)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大宅 諒 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (10804750)
中村 浩章 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (30311210)
齋藤 誠紀 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (40725024)
草場 彰 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (70868926)
四竈 泰一 京都大学, 工学研究科, 准教授 (80456152)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,250,000 (Direct Cost: ¥12,500,000、Indirect Cost: ¥3,750,000)
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| Keywords | 炭素ポンプ / プラズマ壁相互作用 / 水素循環 / 燃料粒子バランス / 堆積層 / 燃料粒子循環 / 核融合炉 / 第一原理計算 / 分子動力学 / 水素リサイクリング / 高速試料搬送装置 / アモルファス炭素 / 再堆積層 |
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| Outline of Research at the Start |
これまでの核融合炉研究では炭素壁とプラズマ性能との高い親和性は認知されつつも、放射化の制限から金属壁への変更が進められてきた.これまでの実験結果から金属プラズマ対向壁では再堆積層と母材間に水素バリアが存在することが発見され、金属表面を能動的に制御することで炭素の特性を活かしつつ放射化を制限する可能性が見出された. 本研究では、プラズマに炭素を添加“炭素ドープ”することで対向壁全体に炭素再堆積層を能動的に形成しつつ、炭素の付着確率の高い150℃以下の低温壁で炭素を回収する“炭素ポンプ”を設置して、滞留する炭素量を制限し、水素同位体の吸蔵量を一定値以下に抑えるシステムを構築する.
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、 １）分子動力学（MD）による素過程計算と基礎実験的検証、２）炭素ポンプの開発、３）既設高速試料搬送装置 （FESTA）による微量炭素ドープによる炭素循環評価、４）炭素ポンプの回収効率評価、５）実機による炭素・水素粒子循環制御実験のステップで進めてきた。本年度の実績として、１）についてはアモルファス炭素の第一原理計算に基づいたモデルを計算機上に作成し、水素吸蔵を行ったところ、アモルファス炭素内で水素が分子状構造を取り得ることを見出した。この結果は論文にまとめて現在投稿中である。２）については開発した炭素ポンプを試験するためのプラズマ照射装置を製作した。カソードの接続方法について試行錯誤を行い、最適な接続方法を見出したうえで、カソードを加温してエージングを行なった。プラズマ着火の前に一旦カソードを取り外して健全性を確認した。この結果は修士論文としとしてまとめた。３）については取得したデータの解析を行い、QUESTの1000秒放電と100秒放電に暴露した堆積層付きのステンレス試料からの水素脱離の時間変化の違いを炭素が堆積した試料のTEM像を考慮したモデルで考察した。このモデル計算では実験結果を説明するために再結合係数と捕獲サイトの脱離エネルギーに一定の関係があることが必要であることを見い出した。この結果と昇温脱離スペクトルから再結合係数と捕獲サイトの脱離エネルギーを一意に決定できることが分かった。これらの結果をまとめて現在投稿論文準備中である。４）については２）のプラズマ照射装置でのプラズマ暴露試験終了後に実施予定である。５）については１）～４）の結果を勘案して実施予定である。
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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
本研究は、 １）分子動力学（MD）による素過程計算と基礎実験的検証、２）炭素ポンプの開発、３）既設高速試料搬送装置 （FESTA）による微量炭素ドープによる炭素循環評価、４）炭素ポンプの回収効率評価、５）実機による炭素・水素粒子循環制御実験のステップで進めてきた。１）についてはＭＤの基盤となる第一原理計算は終了し、ＭＤ計算に移る段階である。２）についてはプラズマ照射装置が完成し、最難関のカソード接続もできたため今後はプラズマ実験を行っていく段階に入っている。３）は現在論文準備中で準備はほぼ整った状況である。４）についてはプラズマ実験を行える状況で、５）も準備が整い次第実験が行える状況である。ただ、ＱＵＥＳＴの長時間運転のための発振管を現在準備中で、この準備状況次第では５）の実験が困難になる可能性もある。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、 １）分子動力学（MD）による素過程計算と基礎実験的検証、２）炭素ポンプの開発、３）既設高速試料搬送装置 （FESTA）による微量炭素ドープによる炭素循環評価、４）炭素ポンプの回収効率評価、５）実機による炭素・水素粒子循環制御実験のステップで進めてきた。１）については第一原理計算結果を用いたMD計算を行う予定である。２）はプラズマ照射装置によるプラズマ生成を行い、開発した炭素ポンプによる試験を実施後に炭素の回収率の評価を行う。３）については投稿論文を完成させることと５）の実機運転時にプラズマに暴露した試料からの水素脱離を計測して炭素堆積の定量評価を実施する。４）についてはプラズマ照射装置によるプラズマ暴露と温度を変えた場合の炭素の堆積量を評価することで炭素ポンプの回収効率評価を行う。５）は１）～４）の準備が完了次第、実施する。プラズマ放電終了後の水素放出や高温壁の璧温を変えて実験を行い、計算結果やプラズマ照射装置の結果との違いを考察する。
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