実機高温プラズマ装置における粒子リサイクリングに対するヘリウムの影響に関する研究

• 研究課題/領域番号: 22KJ2395
• 補助金の研究課題番号: 21J21782 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分14020:核融合学関連
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 岳 其霖 九州大学, 総合理工学府, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 2,200千円 (直接経費: 2,200千円); 2023年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2022年度: 700千円 (直接経費: 700千円); 2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: 水素リサイクリング / FESTA / 表面再結合係数 / プラズマ長時間放電 / ヘリウムリサイクリング / 表面再結合 / 表面障壁 / QMSガス絶対感度校正 / 粒子バランス

研究開始時の研究の概要

核融合炉の壁温（723 K~773 K）近傍の温度を模擬するために、プラズマ曝露試料温度を制御できるように以前から開発した高速試料搬送装置FESTAを改造する。異なる温度の試料をFESTAでQUEST水素プラズマに曝露し、燃料粒子である水素及び核融合反応による生成物であるヘリウム（He）リサイクリングを計測することにより、水素・Heの複合効果を評価する。前年度にFESTAで計測したHeリサイクリングを補足実験の計測結果と合わせてHe放出挙動に関する物理モデルを構築し、核融合炉の候補材料であるタングステン表面の水素・He複合効果を検証する。

研究実績の概要

一年目では、九州大学の球状トカマク実験装置QUESTにおいて高速試料搬送装置（FESTA）を用い、室温でステンレス316L試料の長時間プラズマ曝露実験を3放電連続で実施した。試料からの水素リサイクリングを直接計測し、試料表面の放出束が増加していることが確認できた。この結果は、水素リサイクリングが放電履歴に依存することを明確に示している。
翌年目では、FESTAを用いて室温でタングステン試料を長時間水素プラズマに曝露して実験を3回連続に実施した。各放電の間隔は粒子放出に十分な70分とした。試料表面の水素放出束が増加していることが観測された。粒子放出挙動を解明し、プラズマ放電中タングステン表面状態を表す表面再結合係数を評価するために、捕獲・脱捕獲を組み込んだ水素拡散・表面再結合モデル―二層モデルを構築した。モデル計算で表面再結合係数を評価し、プラズマ曝露でタングステン内に捕捉された水素原子の増加につれて、溶解水素の数が増加になることが判った。その結果、タングステン試料における水素リサイクリングが活発になり、実験結果と一致することになる。
プラズマ対向壁の表面状態とリサイクリングに対する水素とヘリウム（He）の複合効果を調べるために、再堆積層付きのステンレス316Ｌ試料及びヘリウム（He）照射したタングステン試料はそれぞれ曝露実験を行った。その解析は三年目で行った。Heの存在で放電中の水素リサイクリングが増加になることが判り、Heリサイクリングが連続水素プラズマの曝露により減少することが観測された。一方、母材であるSUS316L表面に再堆積層がバリアとして水素の侵入また拡散を妨げるため、モデル計算では提唱された水素バリアモデルを使用した。計算で試料表面状況を評価するに重要な表面再結合係数を評価し、水素放出はプラズマ放電後再堆積層内の溶解捕捉水素が支配することが明白になった。

研究成果

• [雑誌論文] Hydrogen removal by electron cyclotron wall conditioning with neon gas and its impact of tokamak plasma start-up on the QUEST spherical tokamak (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukumoto Masakatsu、Yue Qilin、Hanada Kazuaki、Kojima Shinichiro、Nakano Tomohide、Yoshida N Y、Ikezoe Ryuya、Nagashima Yoshihiko、Ido Takeshi、Onchi Takumi、Idei Hiroshi、Iguchi Hiroki、Komiyama Takumi、Shikama Taiichi、Ejiri Akira、Masuzaki Suguru、Sakamoto Mizuki、Ueda Yoshio、etc
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: / 号: 6 ページ: 066022-066022
  • DOI: 10.1088/1741-4326/ad3d6e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparison of electron temperature and density measured by helium line intensity ratio and Thomson scattering methods in ECH spherical tokamak plasma (2024)
  • 著者名/発表者名: Komiyama Takumi、Shikama Taiichi、Hanada Kazuaki、Ido Takeshi、Onchi Takumi、Kono Kaori、Ejiri Akira、Hasegawa Makoto、Inoue Satoshi、Hasuo Masahiro、Idei Hiroshi、Yue Qilin、Kuroda Kengo、Higashijima Aki、Prapan Pakkapawn
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 66 号: 4 ページ: 045018-045018
  • DOI: 10.1088/1361-6587/ad2c2a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A versatile power supply system for the central solenoid of the QUEST spherical tokamak (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yifan、Onchi Takumi、Nakamura Kazuo、Otsuka Yuya、Koide Yuji、Yue Qilin、Nagata Takahiro、Kawasaki Shoji、Kuroda Kengoh、Hasegawa Makoto、Ikezoe Ryuya、Ido Takeshi、Hanada Kazuaki、Idei Hiroshi
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 191 ページ: 113648-113648
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2023.113648
  • 査読あり
• [雑誌論文] Initial testing of ohmic heating through double flux swing during electron cyclotron start-up in the QUEST spherical tokamak (2023)
  • 著者名/発表者名: ZHANG Yifan、ONCHI Takumi、NAKAMURA Kazuo、YUE Qilin、NAGATA Takahiro、KAWASAKI Shoji、KURODA Kengoh、HASEGAWA Makoto、IKEZOE Ryuya、IDO Takeshi、HANADA Kazuaki、IDEI Hiroshi
  • 雑誌名: Plasma Science and Technology 巻: 25 号: 5 ページ: 055104-055104
  • DOI: 10.1088/2058-6272/acafc2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improving Fast Ejecting System of Targeted Sample (FESTA) and Gas Calibration (2021)
  • 著者名/発表者名: YUE Qilin
  • 雑誌名: Proceedings of International Exchange and Innovation Conference on Engineering & Sciences (IEICES) 巻: 7 ページ: 71-76
  • DOI: 10.5109/4738571
  • NAID: 120007175232
  • ISSN: 2434-1436
  • 年月日: 2021-10-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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: 第27回プラズマ核融合年会支部会
• [学会発表] QUESTにおける高速試料搬送装置（FESTA）を用いたプラズマ誘導水素脱離計測 (2023)
  • 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: 原型炉における真空容器内トリチウム除染手法の構築
• [学会発表] Direct measurement of dynamic retention from plasma exposed tungsten & stainless-steel type 316L specimen using Fast Ejecting System of Targeted Sample (FESTA) on QUEST (2022)
  • 著者名/発表者名: Qilin YUE, Kazuaki HANADA, Makoto OYA, Shinichiro KOJIMA, Hiroshi IDEI, Takumi ONCHI, Kengoh KURODA, Naoaki YOSHIDA, Ryuya IKEZOE, Makoto HASEGAWA, Shun SHIMABUKURO, Aki HIGASHIJIMA, Takahiro NAGATA, Shoji KAWASAKI
  • 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)を用いたステンレス316L試料からの水素リサイクリング計測の初期結果 (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24回若手科学者によるプラズマ研究会
• [学会発表] QUESTにおける高速試料搬送 装置-FESTA実験の研究報告 (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: QUEST研究会
• [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・核融合年会学会
• [学会発表] QUESTにおける高速試料搬送装置（FESTA）を用いたリ粒子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: 2022年度原型炉共同研究
• [学会発表] Preliminary results of Hydrogen Recycling with Fast Ejecting System of Targeted Sample (FESTA) on QUEST (2022)
  • 著者名/発表者名: YUE Qilin
  • 学会等名: 10th Riam Workshop
• [学会発表] QUESTにおける高速試料搬送装置(FESTA)を用いたステンレス316L試料からの水素リサイクリング計測の初期結果 (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: QST第24回若手研究会
• [学会発表] Research on Dynamic Retention Using Fast Ejecting System of Targeted Sample (FESTA) in QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: YUE Qilin, HANADA Kazuaki, OYA Makoto, MATSUO Shogo, KOJIMA Shinichiro, HIRANAKA Yoshiki, IDEI Hiroshi, ONCHI Takumi, KURODA Kengoh, YOSHIDA Naoaki, IKEZOE Ryuya, LIU Yukai, FUKUYAMA Masaharu, HASEGAWA Makoto, SHIMABUKURO Shun, HIGASHIJIMA Aki, NAGATA Takahiro, KAWASAKI Shoji
  • 学会等名: The 24th International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices (PSI-24)
  • 国際学会
• [学会発表] Improving Fast Ejecting System of Targeted Sample (FESTA) and Gas Calibration (2021)
  • 著者名/発表者名: YUE Qilin
  • 学会等名: Proceedings of International Exchange and Innovation Conference on Engineering & Science (IEICES)
  • 国際学会
• [学会発表] Estimation of Dynamic Retention with Fast Ejecting System of Targeted Sample (FESTA) in QUEST (2021)
  • 著者名/発表者名: YUE Qilin, HANADA Kazuaki, OYA Makoto, KOJIMA Shinichiro, IDEI Hiroshi, ONCHI Takumi, KURODA Kengoh, YOSHIDA Naoaki, IKEZOE Ryuya, FUKUYAMA Masaharu, HASEGAWA Makoto, SHIMABUKURO Shun, KAWASAKI Shoji
  • 学会等名: 15th International Workshop on Hydrogen Isotopes in Fusion Reactor Materials, Online Meeting
  • 国際学会
• [備考] 高温プラズマ理工学研究センターにおける研究成果
  • URL: https://www.triam.kyushu-u.ac.jp/QUEST_HP/sub/thesis_old2.html
• [学会・シンポジウム開催] Technical Meeting on Long Pulse Operation of Fusion Devices (2022)