強磁場下でのプラズマ・液体金属相互作用

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01367
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 上田 良夫 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30193816)
• 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)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 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

研究実績の概要

１）高磁場下での溶融W層の挙動観察とモデリング：ミリ秒パルス高磁場下（最大5T, ピーク持続時間5ms）で、ミリ秒パルスNd:YAGレーザー(波長1.06 μm、最大6.4 GW/m2、0.6 mmのスポットサイズ)を用いて可変パルス熱負荷をW試料に照射し、W溶融層を形成した。溶融層の安定性に対する高磁場の影響を観察するため、溶融W表面を高速カメラと長距離顕微鏡システムを用いて撮影した。径方向中心位置(r=0mm)での照射と径方向に移動した位置(r=5mm)での照射を比較すると、両者とも磁場に沿った方向への溶融層流れが観察された。また径方向に移動した位置での照射では、磁場垂直方向への移動も観察され、磁場勾配による電磁力の効果が示唆された。
２）蒸気遮蔽シミュレーションによるパルス負荷に対する制限と寿命の評価：熱パルス波形形状の蒸気遮蔽効果への影響を明らかにするため、蒸気遮蔽シミュレーションコードPIXYを用いて解析を行った。壁材料はBeを仮定した。損耗量と蒸気遮蔽による損耗低減比率を評価した。損耗量はPositive Ramp、Symmetric Triangle、Negative Rampの順番で小さくなることが確認された。また、逆に蒸気遮蔽による損耗低減比率はこの順番で大きくなることが確認された。Negative Rampでは、熱負荷流入の初期において材料表面から十分な蒸気が発生し、以降の熱負荷が効率よく遮蔽されたためであると考えられ、実際の核融合装置の熱パルスの場合は矩形波での評価より損耗が小さくなる可能性が示唆された。
３）プラズマ中でのタングステン粒子挙動観察と炉壁診断のための分光データ取得：レーザーアブレーションを用いて分光データを収集するために、ターゲット試料を固定するホルダの作成と焦点距離を調整するレーザー用レンズなど光学系の整備を行った。今後詳細計測を行う。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Observation of surface deformation of tungsten exposed to single pulsed high heat flux and magnetic field for divertor design (2021)
  • 著者名/発表者名: Okita Takafumi、Matsuda Yuki、Saito Sho、Hoashi Eiji、Ibano Kenzo、Ueda Yoshio
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 171 ページ: 112547～112547
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112547
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on pulse shape dependence of tungsten mass erosion under disruption-like heat load (2021)
  • 著者名/発表者名: Motoi Daichi、Ibano Kenzo、Kikuchi Yudai、Saito Sho、Okita Takafumi、Hoashi Eiji、Lee Heun Tae、Ueda Yoshio
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 165 ページ: 112209～112209
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.112209
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-situ measurement of surface modifications of tungsten exposed to pulsed high heat flux for divertor design in tokamak-type fusion nuclear reactors (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuda Yuki、Yamashita Shohei、Miyamoto Yusei、Motoi Daichi、Okita Takafumi、Hoashi Eiji、Ibano Kenzo、Ueda Yoshio
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 161 ページ: 112042～112042
  • DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.112042
  • 査読あり
• [学会発表] Contribution of vapor shielding at metal walls to the erosion suppression during transient events (2021)
  • 著者名/発表者名: kenzo Ibano, Yusuke Kikuchi, Yoshio Ueda, Tomonori Takizuka
  • 学会等名: 24th international conference on plasma surface interaction in controlled fusion devices
  • 国際学会
• [学会発表] PE-PLD法を用いたタングステン成膜に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上畑憲矢、伊庭野健造、エリック ワーフナー、リ ハンテ、上田良夫
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] ヘリウム励起ナノ構造を有する酸化タングステンの酸化状態と水素ガスセンシング性能の関係 (2020)
  • 著者名/発表者名: 平井一生、伊庭野健造、上畑憲矢、リハンテ、上田良夫
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] 磁場形状が過渡的熱負荷下でのタングステン溶融挙動に及ぼす影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 菊池雄大、伊庭野健造、本井大智、斉藤晶、上田良夫、リハンテ
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] タングステンスパッタリング率の結晶方位依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木雅也、リハンテ、上田良夫、伊庭野健造、松田直也、瀧田朋広、中林誠治
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第37回年会
• [学会発表] Study on pulse shape dependence of tungsten mass erosion under disruption-like heat load in high magnetic field (2020)
  • 著者名/発表者名: Daichi Motoi, Kenzo Ibano, Yudai Kikuchi, Sho Saito, Takafumi Okita, Eiji Hoashi, Yoshio Ueda
  • 学会等名: 31st Symposium on Fusion Technology (SOFT2020)
  • 国際学会
• [学会発表] 重み付きPIC法を用いた蒸気遮蔽シミュレーションによる過渡負荷時の金属壁損耗量予測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 伊庭野健造、上田良夫、滝塚知典
  • 学会等名: プラズマ核融合学会 第37回年会
  • 招待講演