| 研究課題/領域番号 |
17H01367
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
上田 良夫 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30193816)
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| 研究分担者 |
菊池 祐介 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (00433326)
帆足 英二 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40520698)
仲野 友英 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 那珂核融合研究所 先進プラズマ研究部, 上席研究員(定常) (50354593)
沖田 隆文 大阪大学, 工学研究科, 助教 (50772183)
古河 裕之 公益財団法人レーザー技術総合研究所, 理論・シミュレーションチーム, 研究員 (70222271)
伊庭野 健造 大阪大学, 工学研究科, 助教 (80647470)
Lee HeunTae 大阪大学, 工学研究科, 講師 (90643297)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | プラズマ・壁相互作用 / 液体金属 / 高磁場 / 蒸気遮蔽効果 / タングステン |
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| 研究実績の概要 |
今年度は、高磁場下でのレーザー照射実験、蒸気遮蔽シミュレーション、またアブレーションプラズマ分光測定を用いて、W材の溶融層挙動と蒸気遮蔽現象についての研究を行った。成果をまとめると以下の通りである。
１）W材溶融層の挙動と微粒子放出・損耗量評価：ミリ秒パルスレーザー照射装置にパルス高磁場コイルを導入し、高磁場下での溶融W挙動の観察にはじめて成功した。ディスラプションやELMなどの過渡的熱負荷で発生する溶融金属の液流れに対する高磁場影響を模擬する損耗観測系を整備した。負荷磁場の増大に伴った液流れの指向性を観察した。
２）蒸気遮蔽効果のモデリングとシミュレーション：蒸気遮蔽シミュレーション用PICコードを使用し、ITERのVDE事象時におけるBe壁面での蒸気遮蔽による熱負荷低減率を計算し、データベース化した。また、その結果を基に簡易的な損耗量予測を行った。最大200MW/m2, 200msの過渡負荷に対して、蒸気遮蔽を考慮することで損耗が90％低減されることを示した。
３）レーザーアブレーション分光法によるW中微量粒子の検出：ナノ秒レーザー照射によるアブレーションプラズマをW、W-Ta、さらに低放射化フェライト鋼F82Hでも生成することに成功し、分光測定によって微量粒子の濃度測定に成功した。この結果により、W-TaやF82Hを対向壁として使用した際の選択的損耗による表面でのW濃度上昇をLIBS法により遠隔で測定することが可能になった。この測定により、原型炉において運転パラメータの決定と寿命判断に必要となる「合金化に伴う対向材の熱特性の変化」、「壁面に対する中性子照射量」などがモニタリング可能となる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
昨年度は、高磁場発生用マグネットで寄生放電の問題があり、高磁場下での溶融挙動を明らかにすることまで至らなかったが、今年度は、最大4Tの条件下で溶融実験を行うことができ、高磁場が溶融層挙動に与える影響に対して新たな知見を得ることができた。
さらに、蒸気遮蔽シミュレーションについては、ほぼ完成しており、実際のシステムへの適用を通じてコードの妥当性検証を行うフェーズにある。その方向性に沿った試みとして、ITERのBe第一壁にVDEによる過渡的熱負荷が印加された場合の溶融について評価を行った。
さらにレーザーアブレーションにより、W中のReやTa等中性子照射による微量元素変換元素の分析を行うことができ、原型炉におけるWの中性子照射効果を遠隔で評価する手法を開発した。この中で、近紫外領域（200-250 nm）におけるWとReの発光スペクトルのデータを取得することができた。このデータは蒸気遮蔽シミュレーションの精度を高めるために重要な成果である。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度は最終年度であり、以下に示す昨年度の研究課題を継続するとともに、対外的な発信を精力的に行い、最後に研究成果の総括を行う。
（1）強磁場中タングステン溶融挙動の詳細な理解：これまでの研究で整備した、真空中強磁場下でのパルス熱負荷実験装置（～5T、～5ms）を用いて真空中でのITERの中心磁場（～5 T）に対応する磁場環境下で、タングステンやタングステン合金を溶融し、その溶融層挙動を高速カメラを用いて詳細に調べるとともに、その挙動の理解を進めるため、表面張力効果やそれによる対流の影響を考慮した液体金属シミュレーション（CIP法等、を用いる）によりシミュレーションを行う。これにより、タングステン材料溶融層の挙動を理解するための適切なモデルを構築するとともに、プラズマとの相互作用モデルへの適用法を検討する。さらに、蒸発や微粒子放出による液体金属の損耗特性を実験的に解明する。
（2）低価数Wイオンからの発光分析：パルスレーザーを用いてアブレーションプラズマを生成し、可視から紫外域に至る分光スペクトルを調べる。これまでに可視領域については
ほぼ明らかになっているので、今後は紫外域の部分のスペクトルを詳しく調べる。さらに、Wが核融合炉環境で中性子負荷を受けることで生成されるReについてその割合の分析の可能性について調べる。
（3）蒸気遮蔽効果のシミュレーション：これまでタングステンの溶融金属から放出されたタングステン原子の挙動を正確に評価するためのPICコードを開発してきた。これをさらに発展させて、トカマク型核融合炉の周辺プラズマにもPICコードを適用して、プラズマ粒子の速度分布関数を正確に評価できるようにする。さらには、これによる電子の速度分布関数を用いて、放射損失についても精密な評価を行う。これらのコードを統合して、ダイバータへの非定常熱負荷をに対する蒸気遮蔽効果の評価を行う。
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