金属ナノ構造上で誘起されるアークプラズマの特性およびナノ構造の損耗に関する研究

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17J05670
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 皇甫 度均 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2020-03-31
• キーワード: アーク / 核融合 / ナノ構造 / ヘリウムプラズマ / タングステン / ダイバータ / ステラレータ

研究実績の概要

１. Nano-tendril bundles(NTBs)構造の電界電子放出およびブレークダウン特性の評価：電界電子放出による電流変化はNTBsの形状や高さに依存し、数MV/mでブレークダウンが始まることを明らかにした。ブレークダウン後、NTBsの一部は完全に破壊されており、熱電界電子放出によるジュール加熱が原因であることが分かった。また、NTBが形成されたタングステン試料において過渡的熱負荷の印加が無くても自発的に誘起するアーキング現象が発見され、NTBsの電界電子放出の増大がアーキング誘起を容易にすることが示唆された。
２．磁場と垂直な表面上におけるアークプラズマの運動と分光計測：磁場と垂直な平面上で100に及ぶアークスポットが同時発生することを示し、そのミクロ運動はランダムである一方、マクロには拡散運動することを示した。また、基盤のナノ構造厚みによりスポット数、運動速度が変化することを明らかにした。一方、アークプラズマの分光計測によりアークプラズマの電子温度および電子密度を評価した。電子温度はナノ構造厚みを逆相関関係にあるのに対し、電子密度は正の相関をしました。サハーボルツマン方程式より、ナノ構造厚みが増すほどアークプラズマ中にW中性粒子の割合が増加し、電子温度の減少に寄与したことが示唆された。
３．大型核融合実験装置W7-Xにおけるアーク痕観察：ドイツの環状ステラレータW7-X内部調査を行い、プラズマ対向壁およびその基盤の表面上で発生したアーク痕を統計的に分析した。その結果、アーク痕のほとんどは主プラズマ運転の間に行うグロー放電洗浄時に発生したことが示唆された。一方、アーク痕は主としてプラズマ対向壁モジュールの縁や表面上に点在する堆積層から誘起された。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of California San Diego(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: University of California San Diego
• [国際共同研究] Max-Planck Institute for Plasma Physics(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max-Planck Institute for Plasma Physics
• [国際共同研究] Lebedev Physical Institute/Prokhorov General Physics Institute/Moscow Engineering Physics Institute(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Lebedev Physical Institute/Prokhorov General Physics Institute/Moscow Engineering Physics Institute
• [国際共同研究] University of Liverpool(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Liverpool
• [雑誌論文] Enhanced fuzzy tungsten growth in the presence of tungsten deposition (2020)
  • 著者名/発表者名: McCarthy Patrick、Hwangbo Dogyun、Bilton Matthew、Kajita Shin、Bradley James W.
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 60 ページ: 026012～026012
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab6060
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of the changes in the parameters of the arc plasma during the destruction of a helium-induced tungsten fuzz by arc pulses (2020)
  • 著者名/発表者名: Barengolts S.A.、Hwangbo D.、Kajita S.、Ohno N.、Frolova V.P.、Nikolaev A.G.、Oks E.M.、Shmelev D.L.、Tsventoukh M.M.、Yushkov G. Yu
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 60 ページ: 044001～044001
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab73c3
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inspection of W 7-X plasma-facing components after the operation phase OP1.2b: observations and first assessments (2020)
  • 著者名/発表者名: Dhard C P、Akaslompolo S、Balden M、Baldzuhn J、Biedermann C、Brauer T、Brezinsek S、Endler M、Hayashi Y、Hwangbo D、Kajita S、Krause M、Kornejew P、Masuzaki S、Mayer M、Motojima G、Naujoks D、Otte M、Rohde V、the W7-X Team
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: T171 ページ: 014033～014033
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1402-4896/ab4b3f
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Helium irradiation effects on the surface modification and recrystallization of tungsten (2020)
  • 著者名/発表者名: Khan A、De Temmerman G、Kajita S、Greuner H、Balden M、Hunger K、Ohno N、Hwangbo D、Tomita Y、Tokitani M、Nagata D、Yajima M
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: T171 ページ: 014050～014050
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1402-4896/ab52c6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inspection of Arc Trails Formed in Stellarator/Heliotron Devices W7-X and LHD (2020)
  • 著者名/発表者名: HWANGBO Dogyun、KAJITA Shin、DHARD Chandra Prakash、TOKITANI Masayuki、KRAUSE Marco、NAUJOKS Dirk、MASUZAKI Suguru、KLOSE S?ren、OHNO Noriyasu、The W7-X Team
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research 巻: 15 ページ: 2402012～2402012
  • DOI: https://doi.org/10.1585/pfr.15.2402012
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ignition and Behavior of Arc Spots on Helium Irradiated Tungsten Under Fusion Relevant Condition (2019)
  • 著者名/発表者名: Kajita Shin、Hwangbo Dogyun、Ohno Noriyasu
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 47 ページ: 3609～3616
  • DOI: 10.1109/TPS.2019.2908193
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ignition and Sustainment of Arcing on Nanostructured Tungsten Under Plasma Exposure (2019)
  • 著者名/発表者名: Hwangbo Dogyun、Nishijima Daisuke、Kajita Shin、Doerner Russell P.、Barengolts Sergey A.、Tsventoukh Mikhail M.、Tanaka Hirohiko、Ohno Noriyasu
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 47 ページ: 3617～3625
  • DOI: 10.1109/TPS.2019.2910839
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Field Emission From Nanostructured Tendril Bundles (2019)
  • 著者名/発表者名: Sinelnikov Dmitry、Bulgadaryan Daniel、Hwangbo Dogyun、Kajita Shin、Kurnaev Valery、Ohno Noriyasu
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 47 ページ: 5186～5190
  • DOI: 10.1109/TPS.2019.2942725
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Arc behavior on tungsten nanostructure under helium plasma exposure (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Hwangbo, D. Nishijima, S. Kajita, R.P. Doerner, H. Tanaka and N. Ohno
  • 学会等名: 34th International Conference on Phenomena in ionized Gases
  • 国際学会
• [学会発表] Inspection of arc trails formed in stellarator/heliotron devices W7-X and LHD (2019)
  • 著者名/発表者名: D. Hwangbo, S. Kajita, C. P. Dhard, M. Tokitani, M. Krause, D. Naujoks, S. Masuzaki, N. Ohno, S. Klose and The W7-X team
  • 学会等名: The 28th International Toki Conference on Plasma and Fusion Research
  • 国際学会
• [学会発表] ヘリウム照射ナノ構造タングステン上でのアークの運動計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 皇甫度均、西島大輔、梶田信、R.P. Doerner、田中宏彦、大野哲靖
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会