炭素ポンプを用いた水素循環制御の研究

• 研究課題/領域番号: 21H04456
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分14:プラズマ学およびその関連分野
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 花田 和明 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (30222219)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2025年度)
• 配分額: 42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円); 2025年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2024年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2023年度: 5,720千円 (直接経費: 4,400千円、間接経費: 1,320千円); 2022年度: 8,970千円 (直接経費: 6,900千円、間接経費: 2,070千円); 2021年度: 16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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.

研究実績の概要

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。

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [雑誌論文] Evaluation of local erosion and deposition on the W-monoblock of JA-DEMO divertor (2024)
  • 著者名/発表者名: Oya M.、Hoshino K.、Asakura N.、Sakamoto Y.、Ohno N.、Hanada K.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 41 ページ: 101793-101793
  • DOI: 10.1016/j.nme.2024.101793
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Overview of coordinated spherical tokamak research in Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Takase Y.、Ejiri A.、Fujita T.、Hanada K.、Idei H.、Nagata M.、Onchi T.、Ono Y.、Tanaka H.、Tsujii N.、Uchida M.、Yasuda K.、Kasahara H.、Murakami S.、Takeiri Y.、Todo Y.、Tsuji-Iio S.、Kamada Y.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 62 号: 4 ページ: 042011-042011
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ac29cf
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Overview of recent progress on steady state operation of all-metal plasma facing wall device QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: Hanada K.、Yoshida N.、Hasegawa M.、Oya M.、Oya Y.、Takagi I.、Hatayama A.、Shikama T.、Idei H.、Nagashima Y.、Ikezoe R.、Onchi T.、Kuroda K.、Kawasaki S.、Higashijima A.、Nagata T.、Shimabukuro S.、Nakamura K.、Murakami S.、Takase Y.、Gao X.、Liu H.、Qian J.
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 27 ページ: 101013-101013
  • DOI: 10.1016/j.nme.2021.101013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Experimental Progresses and Future Plans on Spherical Tokamak,QUEST (2024)
  • 著者名/発表者名: K.Hanada,H.idei.T.ido,R.Ikezoe,Y.Nagashima,M.Hasegawa,T.Onchi,T.Kinoshita,K.Kuroda,M.Oya,K.Nakamura,N.Yoshida,T.Nagata,A.Higashijima,S.Shimabukura,I.Niiya,I.Sekiya,K.Kono,S.Kawasaki,A.Ejiri,S.Murakami,R.Raman,M.Ono
  • 学会等名: 21st International Congress on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Global particle balance investigation using hot wall operation in all-metal plasma facing device, QUEST (2024)
  • 著者名/発表者名: K.Hanada, Y.Qilin, M.Hasegawa, N.Yoshida, S.Kawasaki, Y.Oya, M.Oya, T.Shikama, I.Takagi, H.Idei, T.Ido,R.Ikezoe,Y.Nagashima, T.Onchi,T.Kinoshita,K.Kuroda,K.Kono,T.Nagata,A.Higashijima, S.Shimabukuro,I.Niiya,I.Sekiya,K.Nakamura,A.Ejiri,S.Murakami, X.Gao,H.Q. Liu, J.Qian,Y.X.Jie,R.Raman,M.Ono
  • 学会等名: Second Technical Meeting on Long-Pulse Operation of Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Progresses on long pulse operation in spherical tokamak, QUEST (2024)
  • 著者名/発表者名: K.Hanada,M.Hasegawa,Y.Qilin,N.Yoshida,S.Kawasaki,Y.Oya,M.Oya, T.Shikama,I.Takagi,H.Idei,T.Ido,R.Ikezoe,Y.Nagashima,T.Onchi, T.Kinoshita,K.Kuroda,K.Kono,T.Nagata,A.Higashijima, S.Shimabukuro,I.Niiya,I.Sekiya,K.Nakamura,A.Ejiri, S.Murakami.
  • 学会等名: 22nd International Spherical Torus Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent experimental results on plasma current start-up and long pulse operation on QUEST (2024)
  • 著者名/発表者名: K.Hanada, Y.Qilin, M.Hasegawa, N.Yoshida, S.Kawasaki, Y.Oya, M.Oya, T.Shikama, I.Takagi, H.Idei, T.Ido,R.Ikezoe,Y.Nagashima, T.Onchi,T.Kinoshita,K.Kuroda,K.Kono,T.Nagata,A.Higashijima, S.Shimabukuro,I.Niiya,I.Sekiya,K.Nakamura,A.Ejiri,S.Murakami, X.Gao,H.Q. Liu, J.Qian,Y.X.Jie,R.Raman,M.Ono
  • 学会等名: AAPPS-DPP 2024
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] QUESTにおける長時間プラズマ放電中高速試料搬送装置（FESTA）を用いたタングステン試料の表面再結合係数の測定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岳其霖，花田和明，大宅諒，吉田直亮，島袋瞬，出射浩，恩地拓己，黒田賢剛，池添竜也，井戸毅，長谷川真，河野香，東島亜紀，永田貴大，川崎昌二
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第27回 支部大会
• [学会発表] Data Assimilation in Semiconductor Crystal Growth: Chemical Reaction Network Modeling (2023)
  • 著者名/発表者名: KUSABA Akira
  • 学会等名: Global Plasma Forum in Aomori
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] FESTAを用いたQUEST歳堆積層の水素放出への影響調査 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岳 其霖
  • 学会等名: QST共同研究「原型炉における真空容器内トリチウム除染手法の構築」会合
• [学会発表] Recovery from wall saturation using temperature control of plasma facing wall on QUEST (2023)
  • 著者名/発表者名: K. HANADA, et al.
  • 学会等名: 29th Fusion Energy Conference (FEC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] QUEST長時間放電での高速試料搬送装置（FESTA）での軽水素リサイクリングの計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岳 其霖、花田 和明、大宅 諒、出射 浩、恩地 拓己、黒田 賢剛、吉田 直亮、池添 竜也、井戸 毅、長谷川 真、島袋 瞬、東島 亜紀、永田 貴大、川崎 昌二、河野 香
  • 学会等名: 第１４回核融合エネルギー連合講演会
• [学会発表] Control of fuel particle recycling using the hot wall on all-metal plasma facing wall in QUEST (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Hanada, et al.
  • 学会等名: Technical Meeting on Long-Pulse Operation of Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] Direct measurement of dynamic retention from plasma exposed stainless steel type 316L specimen using Fast Ejecting System of Targeted Sample(FESTA) on QUEST (2022)
  • 著者名/発表者名: Qilin YUE1, Kazuaki HANADA, Makoto OYA, Shinichiro KOJIMA, Hiroshi IDEI, Takumi ONCHI, Kengoh KURODA, Naoaki YOSHIDA, Ryuya IKEZOE, Takashi IDO, Makoto HASEGAWA, Shun SHIMABUKURO, Aki HIGASHIJIMA, Takahiro NAGATA, Shoji KAWASAKI, Kaori KONO
  • 学会等名: Technical Meeting on Long-Pulse Operation of Fusion Devices
  • 国際学会
• [学会発表] QUESTにおける高速試料搬送装置（FESTA）を用いたヘリウム吸蔵タングステン試料 からの水素・ヘリウムリサイクリングの評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 岳 其霖 , 花田 和明 , 吉田 直亮 , 島袋 瞬 , 大宅 諒 , 出射 浩 , 恩地 拓己 , 黒田 賢剛 , 池添 竜也 , 井戸 毅 , 長谷川 真 , 東島 亜紀 , 永田 貴大 , 川崎 昌二 , 河野 香
  • 学会等名: 第39回 プラズマ・核融合学会 年会
• [学会発表] Control of fuel paticle balance with the wall temperature modification and particle compression in the hot wall on all-metal plasma facing wall in QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Hanada, M. Hasegawa, N. Yoshida, H. Idei, et al.,
  • 学会等名: 28th IAEA Fusion Energy Conference (FEC2020)
  • 国際学会
• [学会発表] QUEST高温壁による水素リサイクリング制御技術の開発と長時間放電の実現 (2021)
  • 著者名/発表者名: 花田和明，長谷川真，吉田直亮
  • 学会等名: RIAMフォーラム2021
• [学会発表] 原型炉におけるプラズマ対向壁の燃料インベントリー評価と再結合係数の影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大宅諒,星野一生,朝倉伸幸,坂本宜照,花田和明
  • 学会等名: 第38回 プラズマ・核融合学会 年会
• [図書] プラズマ・核融合学会誌 (2022)
  • 著者名/発表者名: 花田和明, 四竃泰一,藤井恵介,KUZMIN Arseniy,米田奈生,蓮尾昌裕,後藤基志,小林政弘
  • 総ページ数: 62
  • 出版者: 一般社団法人プラズマ・核融合学会