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

• 研究課題/領域番号: 26420855
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 核融合学
• 研究機関: 愛知工業大学
• 研究代表者: 高村 秀一 愛知工業大学, 工学部, 教授 (40023254)
• 研究分担者: 上杉 喜彦 金沢大学, 電子情報学系, 教授 (90213339)
• 連携研究者: 大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890) ; 梶田 信 名古屋大学, エコトピア科学研究所, 准教授 (00455297)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円); 2016年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2015年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2014年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: プラズマ・核融合 / プラズマ対向壁 / タングステン材料 / プラズマ熱負荷 / プラズマ運動量流入 / 繊維状ナノ構造 / 溶融・蒸発 / 高融点金属表面の皺構造出現 / ダイバータ / タングステン / 希ガス / 高融点添加物 / プラズマ運動量注入 / ナノ皺構造 / 溶融 / 蒸発 / 重水素 / 運動量注入

研究成果の概要

重水素プラズマ熱パルス発生によりタングステンの溶融・蒸発並びにタングステン原子のプラズマ中への浸透過程が調べられた。関連して、ヘリウム・重水素プラズマにおいて、材料表面へのパワー伝達係数の評価を実験・解析両面から行った。この際、非熱高速電子の存在と熱電子放出効果並びに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を明らかにした。一方、対向壁面へのプラズマ運動量流入を実験的に明らかにし、新たに運動量反射係数の導入により、その理論定式化を行った。また、金属表面の繊維状ナノ構造形成機構として、ヘリウムを内包する金属の剛性率の観点から多様な金属におけるナノ構造形成を統一的に論じた。

研究成果

• [雑誌論文] A Particle-In-Cell approach to particle flux shaping with a surface mask (2017)
  • 著者名/発表者名: G. Kawamura, N. Ohno, S. Takamura and Y. Tomita
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 印刷中 ページ: 297-301
  • DOI: 10.1016/j.nme.2016.12.017
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ナノ構造表面を持つタングステンの高温での熱放射特性の向上 (2017)
  • 著者名/発表者名: 髙村秀一、上杉喜彦、菊池祐介、永田正義、山田耕平、小林孝裕、前中志郎、藤田和宜、栗下裕明
  • 雑誌名: 愛知工業大学研究報告 巻: 52
  • NAID: 120006304374
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of PSI on Momentum Input to Plasma-Facing Material Surfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura, Y. Uesugi and T. Kuwabara
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 56 号: 6-8 ページ: 681-688
  • DOI: 10.1002/ctpp.201610061
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nanostructure formation on silicon surfaces by using low energy helium plasma exposure (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura, Y. Kikuchi, K. Yamada, S. Maenaka, K. Fujita and Y. Uesugi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 55 ページ: 12301-12301
  • NAID: 210000147277
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ネオンプラズマ照射を受けたタングステン表面に形成された微細皺構造の観察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 髙村 秀一、上杉 喜彦、矢嶋 美幸、小林 孝裕、前中 志郎、藤田 和宣
  • 雑誌名: 愛知工業大学研究報告 巻: 51
  • NAID: 120006016658
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Effect of PSI on momentum input to plasma-facing material surfaces (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura, Y. Uesugi and T. Kuwabara
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: 56
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Molecular dynamics and Monte Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 号: 7 ページ: 073013-073013
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/7/073013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hybrid simulation research on formation mechanism of tungsten nanostructure induced by helium plasma irradiation (2015)
  • 著者名/発表者名: 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, T. Murashima, M. Miyamoto, and H. Nakamura
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Material 巻: 印刷中 ページ: 109-115
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.01.018
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Power Transmission Factor through the Sheath in Deuterium Plasmas doe Virgin as well as Nanostructured Tungsten (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: - ページ: 325-328
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.09.060
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental identification for physical mechanism of fiber-form nanostructure growth on metal surfaces with helium plasma irradiation (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura and Y. Uesugi
  • 雑誌名: Applied Surface Science 巻: 356 ページ: 888-897
  • DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.08.112
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Radiative cooling properties of He-defected tungsten with fiber-form nanostructure (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 466 ページ: 239-242
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2015.08.008
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coupled interactions between tungsten surfaces and transient high-heat-flux deuterium plasmas (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura and Y. Uesugi
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 55 号: 3 ページ: 033003-033003
  • DOI: 10.1088/0029-5515/55/3/033003
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Modified Power Transmission Factor of Tungsten in Plasmas with Hot Electron Component (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura, S. Ono and N. Ohno
  • 雑誌名: Contributions to Plasma Physics 巻: Vol.54 号: 4-6 ページ: 5-5
  • DOI: 10.1002/ctpp.201410016
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature Range for Fiber-Form Nanostructure Growth on Molybdenum Surfaces due to Helium Plasma Irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 9
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] ２．ダイバータにおける熱流制御とプラズマ材料相互作用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 菊池祐介、澤田圭司、高村秀一、上田良夫、永田正義
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 90 ページ: 480-488
• [雑誌論文] 高融点金属表面に成長する繊維状ナノ構造形成初期段階に関する実験的考察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高村秀一
  • 雑誌名: プラズマ研究会資料 巻: PST-14-43 ページ: 13-18
  • 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Temperature Range for Fiber-Form Nanostructure Growth on Molybdenum Surface due to Helium Plasma Irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: 高村秀一（Shuichi TAKAMURA）
  • 雑誌名: 愛知工業大学研究報告 巻: 49 ページ: 97-101
• [学会発表] 準大気圧定常アーク放電プラズマ装置の開発とその放電基礎特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: 奥村卓也、菊池祐介、山田耕平、前中志郎、青田達也、藤田和宜、髙村秀一
  • 学会等名: 平成29年電気学会全国大会 1-163
  • 発表場所: 富山大学五福キャンパス
  • 年月日: 2017-03-15
• [学会発表] ヘリウムプラズマ照射によるブラック・シリコンの形成とその特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 髙村秀一、菊池祐介、山田耕平、前中志郎、藤田和宜、上杉喜彦
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第33回年会 29pB05
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-29
• [学会発表] Microwrinkle Structures on Refractory Metal Surfaces irradiated by Noble Gass Plasmas (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura, Y. Uesugi, M. Yajima, A.M. Ito, T. Kobayashi, S. Maenaka, K. Yamada, K. Fujita
  • 学会等名: IAEA-FEC 2016, PDP-7
  • 発表場所: Kyoto International Conference Center, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2016-10-17
  • 国際学会
• [学会発表] ナノ構造表面を持つタングステンの高温での熱放射特性の向上 (2016)
  • 著者名/発表者名: 髙村秀一、菊池祐介、永田正義、上杉喜彦、山田耕平、小林孝裕、前中志郎、藤田和宜、栗下裕明
  • 学会等名: 平成28年電気学会基礎・材料・共通部門大会 5-F-p1-1
  • 発表場所: 九州工業大学戸畑キャンパス
  • 年月日: 2016-09-05
• [学会発表] 希ガスプラズマによって照射された高融点金属表面に形成された微細皺構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 髙村秀一、上杉喜彦、伊藤篤史、矢嶋美幸、山田耕平、小林孝裕、前中志郎、藤田和宜
  • 学会等名: 第11回核融合エネルギー連合講演会 15P060
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2016-07-14
• [学会発表] A particle-in-cell approach to particle flux shaping with a surface mask (2016)
  • 著者名/発表者名: G. Kawamura, N. Ohno, S. Takamura and Y. Tomita
  • 学会等名: The 22nd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices, P.3.3.
  • 発表場所: Pontifical Universita Urbanians, Roma, Italia
  • 年月日: 2016-05-30
  • 国際学会
• [学会発表] ネオンプラズマ照射されたタングステン表面に形成された微細皺構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 髙村 秀一、上杉 喜彦
  • 学会等名: 日本物理学会第７１回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大学泉キャンパス
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] ネオンプラズマ照射されたタングステン表面に形成された微細皺構造 (2016)
  • 著者名/発表者名: 髙村 秀一、上杉 喜彦、矢嶋 美幸
  • 学会等名: ＰＷＩ合同研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2016-01-19
• [学会発表] ヘリウムプラズマ照射によるブラック・シリコンの形成とその特性-その場計測も含めて- (2016)
  • 著者名/発表者名: 髙村秀一、菊池祐介、山田耕平、前中志郎、藤田和宜、上杉喜彦
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会「プラズマ対向材料表面のその場診断」及びLHD計画共同研究「LIBSによる水素同位体リテンションと材料混合のその場計測」合同会合
  • 発表場所: 核融合科学研究所
• [学会発表] ナノ構造表面を持つタングステンの高温での熱放射特性の向上 (2016)
  • 著者名/発表者名: 髙村秀一、菊池祐介、永田正義、上杉喜彦、山田耕平、前中志郎、藤田和宜、栗下裕明
  • 学会等名: 平成28年度NIFS共同研究PWI合同会合
  • 発表場所: 核融合科学研究所
• [学会発表] ネオンプラズマ照射されたタングステン表面に形成された微細皺構造 (2015)
  • 著者名/発表者名: 髙村 秀一、上杉 喜彦
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会第５２回年回
  • 発表場所: 名古屋大学東山キャンパス豊田講堂
  • 年月日: 2015-11-24
• [学会発表] プラズマ対向材料表面へのプラズマ運動量流入 (2015)
  • 著者名/発表者名: 髙村 秀一、上杉 喜彦、桒原 竜弥
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会専門委員会「プラズマ対向材料表面のその場診断」、ＬＨＤ計画共同研究「LIBSによる水素同位体リテンションと材料混合のその場計測」 合同会合
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2015-09-24
• [学会発表] ヘリウムプラズマ照射による金属表面上の繊維状ナノ構造成長物理機構に関する実験的・物理的検討 (2015)
  • 著者名/発表者名: 髙村 秀一、上杉 喜彦
  • 学会等名: 平成２７年電気学会基礎・材料共通部門大会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2015-09-17
• [学会発表] Effect of PSI on momentum input to plasma-facing material surfaces (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura, Y. Uesugi and T. Kuwabara
  • 学会等名: 15th International Workshop on Plasma Edge Theory in Fusion Devices 2015
  • 発表場所: Nara Kasugano International Forum IRAKA, Nara, Japan
  • 年月日: 2015-09-09
  • 国際学会
• [学会発表] ヘリウム照射による金属表面に形成される繊維状ナノ構造の成長過程に関する実験的考察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 髙村 秀一、上杉 喜彦
  • 学会等名: 核融合エネルギーフォーラム平成２７年度第１回ダイバータ物理・工学合同研究会
  • 発表場所: つくばサイエンス・インフォメーションセンター
  • 年月日: 2015-07-30
• [学会発表] チュートリアル講演「境界領域プラズマ理工学の基礎」 (2015)
  • 著者名/発表者名: 髙村 秀一
  • 学会等名: 核融合科学研究所 共同研究「プラズマ科学ノフロンティア」研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2015-07-29
  • 招待講演
• [学会発表] ナノ構造タングステンの放射・アニール特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 高村秀一、菊池祐介、永田正義、上杉喜彦、坂部佳祐、小林孝裕、前中志郎、藤田和宣
  • 学会等名: 平成２７年電気学会全国大会
  • 発表場所: 東京都市大学 世田谷キャンパス
  • 年月日: 2015-03-24 – 2015-03-26
• [学会発表] Precursor Identification and Physical Mechnism of Fiber-Form Nanostructure Growth on Metal Surfaces with Helium Plasma Irradiation (2015)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura and Y. Uesugi
  • 学会等名: Finken 研究会
  • 発表場所: 名古屋大学工学部
  • 年月日: 2015-03-17
• [学会発表] 高融点金属表面に成長する繊維状ナノ構造形成初期段階に関する実験的考察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高村秀一、上杉喜彦
  • 学会等名: Plasma Conference 2014
  • 発表場所: 新潟市 朱鷺メッセ
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-21
• [学会発表] Molecular dynamics and Monte-Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation (2014)
  • 著者名/発表者名: 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,
  • 学会等名: 25th Fusion Energy Conference
  • 発表場所: Saint Petersburg, Russia
  • 年月日: 2014-10-13 – 2014-10-18
• [学会発表] Coupled interactions between tungsten material surfaces and transient high heat flux deuterium plasmas (2014)
  • 著者名/発表者名: 高村秀一、上杉喜彦
  • 学会等名: LHD計画共同研究合同研究会
  • 発表場所: 金沢大学
  • 年月日: 2014-09-22
• [学会発表] 高融点金属表面に成長する繊維状ナノ構造形成初期段階に関する実験的考察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高村秀一
  • 学会等名: 電気学会プラズマ研究会
  • 発表場所: 大阪府立大学
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-10
• [学会発表] タングステン材料表面への重水素プラズマ熱パルスの効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高村秀一、上杉喜彦
  • 学会等名: 平成２６年電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • 発表場所: 信州大学
  • 年月日: 2014-08-21 – 2014-08-22
• [学会発表] 過渡的高熱流重水素プラズマとタングステン材料との相互作用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高村秀一、上杉喜彦
  • 学会等名: 核融合フォーラム合同研究会
  • 発表場所: つくば大学
  • 年月日: 2014-07-30 – 2014-08-01
• [学会発表] Power Transmission Factor through the Sheath in Deuterium Plasmas for Virgin as well as Nanostructured Tungsten (2014)
  • 著者名/発表者名: S. Takamura
  • 学会等名: 21st International Conference on Plasma Surface Intractions in Controlled Fusion Devices
  • 発表場所: Kanazawa, Japan
  • 年月日: 2014-05-26 – 2014-05-30
• [学会発表] Molecular dynamics research on formation mechnism of tungsten nanostructure induced by helium plasma irradiation (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 21st International Conference on Plasma Surface Intractions in Controlled Fusion Devices
  • 発表場所: Kanazawa, Japan
  • 年月日: 2014-05-26 – 2014-05-30
  • 招待講演