再堆積層の水素バリアを活用した水素吸蔵と水素リサイクリングの制御

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02441
• 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)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: プラズマ・核融合 / トカマク / 定常運転

研究実績の概要

能動的壁制御により、壁温を200度まで上げて実験を行い、1時間を超える放電を実現した。昨年度は、１）実機実験による水素バリアモデルの検証、２）試料による水素バリア形成効果の軽水素、重水素の比較と実機プラズマ対向壁材料の決定、３）再堆積層膜厚分布計測、４）壁管理による再現性改善と実機昇温脱離計測を行い、１）では1時間を超える放電の水素吸蔵特性の時間変化を水素バリアモデルで解析可能であることを確認した。また、その壁温依存性が主に表面再結合係数の変化で説明できることを検証した。２）については、SUS316Lについては検証を行ったが、その他の金属材料、特にタングステンについては実施中である。３）については開発したカラーメータと他の膜厚計測の比較を行い、精度を検証した。結果として弱磁場側真空容器の上下非対称性、及びAPS-Wでは表面の凹凸のイオン入射側とその反対側での非対称性が確認された。また、プラズマ電流を反転させることでイオンの入射方向を逆にした場合には水素吸蔵量や不純物の発生量が変化することが分かった。４）については実機での昇温脱離実験を200度までの範囲で行い、脱離ピークが存在することを確認した。これらの結果をまとめて、国際原子力機関の国際会議で報告した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

再堆積層の水素吸蔵特性とバリア効果を試料実験で行った。核反応法により再堆積層内の水素濃度の測定と透過実験による拡散係数の評価からバリアを透過する水素を評価して、その差から再堆積層と母材間のギブスの自由エネルギー差を評価することに成功した。ギブスの自由エネルギー差には温度依存性があり、エントロピーとエンタルピー成分を測定した。この手法の開発により、金属母材と再堆積層間に生じるバリア効果を定量化できる。この成果は当初の計画を上回っていると判断できる。1時間を超えるプラズマ放電も実現し、能動的壁制御の効果が確実に表れていることから、当初の計画を上回っていると判断できる。

今後の研究の推進方策

タングステンにおける水素バリア効果の検証を行い、ステンレス材とタングステン及びAPS-Wの違いを明確にする。さらに当初の計画の、１）ダイバータへの加熱・冷却パネルの設置、２）センタースタックへの加熱・冷却パネルの設置については、ダイバータ部へは冷却パネルを設置することとする。現在の研究で、ダイバータ板裏側に中性粒子の圧縮効果が確認されていることから、能動的加熱は行わず、プラズマからの加熱効果で、温度を上げることとする。また、センタースタックについては現状で放射による壁温上昇が観測されていることから受動的加熱を行うこととする。一方、３）水素粒子束の空間分布評価については薄膜プローブを増設して計測の準備を進めている。４）能動的壁制御による水素リサイクリング制御に関しては、昨年度の研究ですでに加温に関しては確認されたので、今年度は降温を行う。降温を行うための冷却水設備の運用を開始する。高温状態の配管に冷却水を流した場合の水素吸蔵特性等についてのデータを取得する。５）プラズマ誘導脱離束の計測に関しては、昨年度一部の計画を前倒しで実施して、水素のバルマー系列の発光の上下非対称性や、プラズマ電流の向きによる不純物の発光の差を確認している。これらの結果からプラズマ誘導脱離の定量的評価を開始しているのでさらにモデル化を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Current Start-Up Using the New CHI System (2017)
  • 著者名/発表者名: KURODA K、RAMAN R、HANADA K、HASEGAWA M、ONCHI T、ONO M、JABOE T、NELSON Brian A.、NAGATA M、MITARAI O、NAKAMURA K、IDEI H、ROGERS J、KAWASAKI S、NAGATA T、KUZMIN A、KOJIMA S、WATANABE O、HIGASHIJIMA A、TAKASE Y、FUKUYAMA A
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 12 ページ: 1202020～1202020
  • DOI: 10.1585/pfr.12.1202020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of Spherical Tokamak Research in Japan (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Takase, A. Ejiri, T. Fujita, N. Fukumoto, A. Fukuyama, K. Hanada, H. Idei, M. Nagata, Y. Ono, H. Tanaka, M. Uchida, R. Horiuchi, Y. Kamada, H. Kasahara, S. Masuzaki, Y. Nagayama, T. Oishi, K. Saito, Y. Takeiri, S. Tsuji-Iio
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Preliminary study on heat load by using calorimetric measurement during long pulse high performance discharges on EAST (2017)
  • 著者名/発表者名: Liu, yukai; Hamada, Natsuhiko; Hanada, Kazuaki; Gao, Xiang; Liu, Haiqing; Yu, Yaowei; Qian, Jinping; Yang, Lei; Xu, Tiejun; Jie, Yinxian; Yao, Yuan; Wang, Shusheng; Xu, Jichan; Yang, Zhengdong; Li, Gongshun
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 59 ページ: 045009
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6587/aa5d88
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Power balance estimation in long duration discharges on QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: K.Hanada, H.Zushi, H.Idei, K.Nakamura, M.Ishiguro, S.Tashima, E.I.Kalinnikova, Y.Nagashima, M.Hasegawa, A.Fujisawa, A.Higashijima, S.Kawasaki, H.Nakashima, O.Mitarai, A.Fukuyama, Y.Takase, X. Gao, H.Liu, J.Qian, M.Ono, R.Raman
  • 雑誌名: Plasma Science and Technology 巻: 18 ページ: 1069-1075
  • DOI: 10.1088/1009-0630/18/11/03
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Hydrogen flux measurements with permeation probes in spherical tokamak QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: A.Kuzmin, H.Zushi, I.Takagi, S.K.Sharma, Y.Hirooka, M.Kobayashi, M.Sakamoto, K.Hanada, T.Onchi, Y.Oyama, N.Youshida, K.Nakamura, A.Fujisawa, H.Idei, Y.Nagashima, M.Hasegawa, K.Mishra
  • 雑誌名: Vacuum 巻: 129 ページ: 178-182
  • DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.04.025
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Current status and prospect of plasma control system for steady-state operation on QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Hasegawa, , Kazuo Nakamura, Hideki Zushi, Kazuaki Hanada, Akihide Fujisawa, Kazutoshi Tokunaga, Hiroshi Idei, Yoshihiko Nagashima, Shoji Kawasaki, Hisatoshi Nakashima, Aki Higashijima
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 112 ページ: 699-702
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2016.04.016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] QUESTにおける高温壁を用いた水素リサイクリングの壁温依存性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 花田 和明、吉田 直亮、龍 昊、王 正興、中村 一男、出射 浩、藤澤 彰英、永島芳彦、長谷川 真、恩地 拓巳、渡辺 理、Kuzmin Arseniy、 図子 秀樹、渡辺 英雄、川崎 昌二、東島 亜紀、永田 貴大、島袋 瞬、荒木 邦明、高木 郁二、大矢 恭、宮本光貴、高瀬 雄一、福山 淳、御手洗 修
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-20 – 2017-03-20
• [学会発表] Investigation of plasma wall interaction based on plasma radiation measurement in long duration discharge on QUEST (2017)
  • 著者名/発表者名: H. Ohwada, K. Hanada, N. Yoshida, K. Nakamura, K. Yamazaki, Hao Long, QUEST group
  • 学会等名: Ninth IAEA Technical Meeting (TM) on the Steady State Operation of Magnetic Fusion Devices
  • 発表場所: IAEA Headquarters, Vienna, Austria
  • 年月日: 2017-03-20 – 2017-03-20
  • 国際学会
• [学会発表] QUEST周辺プラズマにおける水素原子分子比の空間分解分光診断 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤川祥亘, 新居邦亮, 米田奈生, 四竈泰一, 花田和明, 恩地拓己, 蓮尾昌裕, QUESTグループ
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-18 – 2017-03-18
• [学会発表] QUESTにおける長時間放電後対向壁の水素放出特性 (2017)
  • 著者名/発表者名: Long Hao, Kazuaki HANADA
  • 学会等名: 九州大学 エネルギーウィーク 2017
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2017-01-31 – 2017-01-31
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of the colorimetry to measure the deposition thickness on the plasma-facing wall in QUEST tokamak (2016)
  • 著者名/発表者名: Z. Wang, K. Hanada, N. Yoshida, T. Shimoji, M. Miyamoto, Y. Oya, H. Zushi, H. Idei, K. Nakamura, A. Fujisawa, Y. Nagashima, M. Hasegawa, S. Kawasaki, A. Higashijima, H. Nakashima, T. Nagata, A. Kawaguchi, T. Fujiwara, K. Araki, O. Mitarai, A. Fukuyama, Y. Takase, K. Matsumoto, and QUEST group.
  • 学会等名: CSS-EEST18
  • 発表場所: 中国 上海交通大学
  • 年月日: 2016-12-04 – 2016-12-06
  • 国際学会
• [学会発表] Quantitative analysis of hydrogen outgassing from the vessel wall after long duration discharge in QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: Hao LONG, Kazuaki HANADA, QUEST group
  • 学会等名: CSS-EEST18
  • 発表場所: 中国 上海交通大学
  • 年月日: 2016-12-04 – 2016-12-06
  • 国際学会
• [学会発表] QUEST高温壁における一時間を超える長時間放電の粒子バランス解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 花田和明、中村一男、出射浩、長谷川真、図子秀樹、吉田直亮、Kuzmin Arseniy、恩地拓巳、渡辺理、川崎昌二、中島寿年、東島亜紀、永田貴大、大和田裕晃、龍昊、藤澤彰英、永島芳彦、渡辺英雄、川口晃、荒木邦明、高瀬雄一、福山淳、御手洗修、高木郁二、大矢恭久、宮本光貴、QUESTグループ
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第33回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-30 – 2016-11-30
• [学会発表] QUESTにおける長時間放電後対向壁から放出された水素アウトガスの評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 龍昊、花田和明、中村一男、藤澤彰英、出射浩、永島芳彦、長谷川真、川崎昌二、東島亜紀、Kuzmin Arseniy、恩地拓巳、黒田賢剛、永田貴大、 高瀬雄一、福山淳、御手洗修、QUEST グループ
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第33回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-30 – 2016-11-30
• [学会発表] QUEST長時間放電時における発光強度の上下非対称性観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大和田裕晃、出射浩、花田和明、吉田直亮、QUEST group
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第33回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-30 – 2016-11-30
• [学会発表] クエスト高温プラズマ対向壁における水素同位体滞留挙動評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 佐藤優理奈，植村有希，桜田翔大，藤田啓恵，東奎介，周啓来，吉田直亮, 花田和明，近田拓未，大矢恭久
  • 学会等名: プラズマ核融合学会第33回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-30 – 2016-11-30
• [学会発表] Overview of Spherical Tokamak Research in Japan (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Takase, A. Ejiri, T. Fujita, K. Hanada, H. Idei, M. Nagata, Y. Ono, H. Tanaka, A. Fukuyama, Y. Kamada, N. Fukumoto, R. Horiuchi, Y. Nagayama, Y. Takeiri, and S. Tsuji-Iio
  • 学会等名: FEC-26(IAEA)
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2016-10-20 – 2016-10-20
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of hydrogen recycling property and its control with hot wall in long duration discharges on QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hanada, N. Yoshida, T. Honda, Z. Wang, A. Kuzmin, I. Takagi, T. Hirata, Y.Oya, M.Miyamoto, H. Zushi, M. Hasegawa, K. Nakamura, A. Fujisawa, H. Idei, Y. Nagashima, O. Watanabe, T. Onchi, H. Watanabe, K. Tokunaga, A. Higashijima, S.Kawasaki, H.Nakashima, T.Nagata, Y.Takase, A.Fukuyama, and O.Mitarai
  • 学会等名: FEC-26(IAEA)
  • 発表場所: 京都
  • 年月日: 2016-10-19 – 2016-10-19
  • 国際学会
• [学会発表] QUESTにおける高温壁実験の現状 (2016)
  • 著者名/発表者名: 花田和明
  • 学会等名: 球状トカマク研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2016-09-08 – 2016-09-08
• [学会発表] QUESTの長時間放電後の粒子排出特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 龍昊
  • 学会等名: 球状トカマク研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2016-09-08 – 2016-09-08
• [学会発表] QUESTにおける長時間放電後の対向壁から放出される水素アウトガスの評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 龍昊、花田和明、中村一男、藤澤彰英、 出射浩、永島芳彦、長谷川真、川崎昌二、東島亜紀、Kuzmin Arseniy、恩地拓巳、黒田賢剛、永田貴大、高瀬雄一、福山 淳、御手洗 修、QUEST グループ
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第55回プラズマ若手夏の学校
  • 発表場所: 千葉県 房総半島(白子)
  • 年月日: 2016-09-01 – 2016-09-01
• [学会発表] QUESTにおける動的リテンション特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 花田和明
  • 学会等名: 核融合科学研究所共同研究 「ダイバータの学理とその応用」研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所
  • 年月日: 2016-07-25 – 2016-07-25
• [学会発表] QUESTにおけるプラズマ長時間維持研究の進展 (2016)
  • 著者名/発表者名: 花田和明、中村一男、出射 浩、長谷川 真、図子秀樹、吉田直亮、Kuzmin Arseniy、恩地拓己、渡辺理、川崎昌二、中島寿年、東島亜紀、永田貴大、藤澤彰英、永島芳彦、渡辺英雄、川口晃、荒木邦明、高瀬雄一、福山淳、御手洗修、高木郁二、大矢恭久、宮本光貴、他10名
  • 学会等名: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2016-07-14 – 2016-07-14
  • 招待講演
• [学会発表] 「プラズマ・壁相互作用を考慮した核融合プラズマ粒子バランスの解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 岡本浩輔、矢本昌平、畑山明聖、花田和明
  • 学会等名: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2016-07-14 – 2016-07-14
• [学会発表] QUEST 高温プラズマ対向壁における表面特性変化とプラズマ制御への影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 吉田直亮、花田和明、波多野雄治、宮本光貴、大矢恭久、時谷政行、矢嶋美幸、永田大介、川口晃、
  • 学会等名: 第11回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2016-07-14 – 2016-07-14
• [学会発表] Investigation of the role of deposition layer in hydrogen recycling property on QUEST (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Hanada, N. Yoshida, T. Honda, Z. Wang, A. Kuzmin, I. Takagi, Y.Oya, M.Miyamoto,H. Zushi, M. Hasegawa, K. Nakamura, A. Fujisawa, H. Idei, Y. Nagashima, O. Watanabe, T. Onchi, H. Watanabe, K. Tokunaga, A. Higashijima, S.Kawasaki, H.Nakashima, Y.Takase, A.Fukuyama, and O.Mitarai
  • 学会等名: PSI2016
  • 発表場所: イタリア ローマ
  • 年月日: 2016-05-30 – 2016-05-30
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial distribution of the hydrogen retention in long duration discharges (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Kuzmin, H. Zushi, I. Takagi, S. K. Sharma, M. Kobayashi, Y. Hirooka, T. Onchi, Y. Oyama, K. Hanada, N. Yoshida, K. Nakamura, A. Fujisawa, H. Idei, Y. Nagashima, M. Hasegawa, T. Mutoh, K. Mishra, H. Ohwada
  • 学会等名: PSI2016
  • 発表場所: イタリア ローマ
  • 年月日: 2016-05-30 – 2016-05-30
  • 国際学会