| 研究課題/領域番号 |
17K06996
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| 研究機関 | 愛知工業大学 |
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研究代表者 |
高村 秀一 愛知工業大学, 総合技術研究所, 教授 (40023254)
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| 研究分担者 |
上杉 喜彦 金沢大学, 電子情報通信学系, 教授 (90213339)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | プラズマ・核融合 / ダイバータ / タングステン / 放射冷却 / ファズ / 窒化 / ピン留め効果 / 皺構造 |
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| 研究実績の概要 |
新しいプラズマ‐表面相互作用として以下の研究を展開した：
（１）磁場閉じ込め熱核融合炉における、ダイバータ板の深刻な熱負荷の低減のために、ITER（国際熱核融合実験炉）にて本命とされる窒素を含む重水素プラズマとタングステン（W)材料の相互作用を広い表面温度範囲に亙って調べた。700 ~ 900 K程度の温度範囲で窒化物の検出並びにナノウイスカー状の構造の形成を発見した。1300 ~ 1500Kの高温ではネオンの場合と同様に皺構造が確認された。一方、プラズマ中に、クライオポンプの機能低下をもたらすと危惧される、アンモニアの前駆体であるNDラジカルの発光を分光的に明らかにした。（これらの成果は国際誌Nuclear Fusionに掲載）
（２）Wとヘリウム(He)との相互作用によりW材料表面に形成される繊維状ナノ構造（ファズ）の成長過程解明の鍵の一つとなる、ファズの結晶性と結晶粒面方位分布について電子線・X線の回折を駆使して、α-phase Wのそれらと比較することにより論じた。
（３）TiC, カリウム（K）やThO2などがドープされたWにフェムト秒レーザー掃引照射により500 nmの溝ピッチを持つLIPSS(Laser Induced Periodic Surface Structure)を形成し、更にHeプラズマ弱照射による未成長のファズ形成を行った。ドープ材とHeのツェナーピン留め効果により、過大な表面拡散を抑止しつつ、アニールによるLIPSS構造の崩れを防止する傾向が見られた。これにより高温での高い表面熱放射特性保持の方向性が見出された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
ダイバータプラズマの放射冷却用不純物として核融合炉で想定されている、ネオンと窒素がW材料表面に及ぼす効果として、両者に亙って皺構造の形成、後者は窒化物形成の温度範囲・温度特性同定とアンモニア前駆体の発光線の検出という成果をすでに得ている。
ファズ形成物理機構は未だに未解明であるが、Wの結晶性と結晶粒面方位の分布について電子線・X線の回折から迫る見通しが得られた。
高温W表面からの熱放射促進としてドープ材入りWへのLIPSS技術の活用の道筋を見出した。高温でのアニール効果の軽減により熱放射特性の保持の見通しが得られている。
また、ELMに相当するプラズマ熱パルスに対するWの蒸発・射出素過程模擬のため、Wと類似の高融点金属でやや低融点であるタンタルの原子発光とイオン発光に関する分光基礎データが得られつつある。熱パルス模擬のため放電陰極に加える負パルス印加のための絶縁破壊対策を強化した陰極作製も完了している。
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| 今後の研究の推進方策 |
(A) 各種のドープ材（TiC, K, ThO2）を持つW材料にLIPSSを施し、Heプラズマ弱照射と併用して、表面拡散を抑制しつつ高温での熱放射率を高く維持し、耐アニール特性の向上を図る。
(B) Heプラズマ照射による単結晶W表面に成長するファズの結晶粒の面方位分布をX線回折によりファズ全体に亙ってグローバルに明らかにし、ファズ成長物理機構解明のヒントにする。
(C) ELM模擬の熱パルスにより融点迄の昇温で実績のあるWより更に表面溶融効果の大きい、タンタル箔（10~20μm）の表面溶融並びに原子とクラスターの放出素過程、近傍プラズマの冷却等、べーパー・シールディングと総称されている現象の素過程を明らかにすべく、干渉フィルターと平成３０年度に導入した高性能デジカメの高速（1000fps）動画機能を用いて明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）投稿論文（Nuclear Fusion誌）のアクセプト通知が年度末になり、ページ当たりのチャージはわかっていたものの、印刷ページ数が不確定であったことと、米ドルと日本円の換算レートの不確定さのため、余裕をもって出版費を確保したため。
（使用計画）単結晶タングステン材料の購入の補填に有効活用したい。
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