実機プラズマ対向材料の表面変質が定常長時間放電に及ぼす影響の解明

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 26420857
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 時谷 政行 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30455208)
• 研究分担者: 宮本 光貴 島根大学, 総合理工学研究科(研究院), 准教授 (80379693) ; 笠原 寛史 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (50435517) ; 吉村 泰夫 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (90300730)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: プラズマ・壁相互作用 / プラズマ・核融合 / 電子顕微鏡

研究実績の概要

平成26年度までに，核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)において，ヘリウムプラズマの長時間放電に，SUS316LおよびSiの試料を計10000秒曝露させ，集束イオンビーム加工観察装置(FIB)および透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた詳細な表面分析を実施した．その結果，ヘリウム長時間放電中には第一壁であるSUS316L表面直下に，ヘリウム照射に伴うバブルの形成，表面に炭素が98%，鉄が2%程度の40nmの厚さを有するMixed-material堆積層の形成が同時発生し，材料表面近傍のミクロ構造が激しく変化していく事実が明らかになった．
平成27年度は，まず，平成26年度までに曝露した試料に対して，TEMを用いてより詳細な微細構造解析を実施した．その結果，Mixed-matarial堆積層の構造は極めて緻密なアモルファス状であることを突き止めた．また，通常の炭素バルク材料と比較するとその密度が10%以上疎な状態であることが明らかになった．厚さと構造から判断して，Mixed-material堆積層は，壁に飛来するヘリウム粒子の有効な捕捉サイトとして機能するのではないかと予想される．次に，昇温脱離ガス分析装置(TDS)を用いて，Mixed-material堆積層およびSUS316L基盤に捕捉されたヘリウム粒子の定量評価を実施した．結果より，室温近傍～600Kまでの比較的低温度領域の放出量が際立って多いことが確かめられた．低温度領域でヘリウムが放出されるということは，つまり，弱い捕捉力で捕らえられているヘリウムが存在することを意味する．この弱い捕捉機構はMixed-material堆積層によるものである可能性が高いと考えられる．

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

当初の平成27年度までの研究実施計画では，集束イオンビーム加工観察装置(FIB)および透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて，ヘリウム長時間放電に曝露させた第一壁材料(SUS316)の表面構造解析を行う予定であった．これに対して，平成27年度までに，Mixed-material堆積層の詳細な構造解析が完了し，その構造は極めて緻密なアモルファス状であることを突き止めた．それだけでなく，通常の炭素バルク材料と比較するとその密度が10%以上疎な状態であることも明らかにした．さらに，当初は平成28年度に実施する予定であった，昇温脱離ガス分析装置(TDS)を用いたSUS316試料表面に捕捉されたヘリウムの定量評価も実施した．TEMによる表面微細構造解析結果と，TDSによる捕捉ヘリウムの定量評価結果を比較することで，Mixed-material堆積層がヘリウムの有効な捕捉サイトとして機能している可能性が高いことを示した．

今後の研究の推進方策

平成27年度までに明らかになったMixed-materialの微細構造と捕捉ヘリウム粒子の定量評価結果を踏まえ，様々な厚さのMixed-material堆積層に対して同様なTEM観察およびTDS実験を行う．これにより，Mixed-material堆積層がヘリウム粒子の有効な捕捉サイトであることを確定付けるだけでなく，Mixed-material堆積層の厚さに対するヘリウム捕捉量の関係を放電時間の関数として導出することができる．結果より，Mixed-material堆積層形成に伴うヘリウム粒子の捕捉率を導出する．次に，材料分析から得られたヘリウム粒子の捕捉率をグローバルな粒子バランスデータから得られるヘリウム壁排気率と比較する．最終的には，どのような壁面状態が，定常長時間放電の粒子バランス制御に影響を及ぼしているのかを確定させる．さらに，可能であれば，LHDで照射した試料に実験室において水素同位体(H or D)の追照射実験を行い，定常長時間放電で変質を受けた壁面が，通常の壁面と比較してどの程度水素同位体を捕捉しやすくなっているのかを調べる．

次年度使用額が生じた理由

平成26年度の旅費の使用額が少なかったことが使用額に差が生じた要因となっている．また，平成26年度と平成27年度共に核融合科学研究所での分析実験が多く，他の大学や研究所での分析実験のための旅費が少なくなったことが要因でもある．

次年度使用額の使用計画

平成28年度は成果のまとめの年度であるため，国際会議への海外出張旅費が増加すること，分析実験や研究打合せのための国内旅費が増加することから，残額の計画的な執行が行われることとなる．

研究成果

• [雑誌論文] Plasma wall interaction in long-pulse helium discharge in LHD - Microscopic modification of the wall surface and its impacton particle balance and impurity generation (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Tokitani, H. Kasahara, S. Masuzaki, G. Motojima, M. Shoji, Y. Ueda, N. Yoshida, Y. Yoshimura, K. Nagasaki, N. Ashikawa, T. Mutoh, H. Yamada, LHD Experiment Group, S. Nagata
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 463 ページ: 91-98
  • DOI: doi:10.1016/j.jnucmat.2014.12.062
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] LHD ヘリウム長時間放電におけるプラズマ壁相互作用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 時谷政行，笠原寛史，吉村泰夫，本島 厳，庄司 主，増崎 貴，宮本光貴，上田良夫，坂本隆一，坂本瑞樹，吉田直亮，武藤 敬，LHD実験グループ
  • 学会等名: 第32回プラズマ・核融合学会 年会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2015-11-24 – 2015-11-27
• [学会発表] Microscopic modification of wall surface by helium bombardment and mixed-material deposition layer during a long pulse discharge in LHD ~its impact on steady state plasma operation~ (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Tokitani, H. Kasahara, Y. Yoshimura, G. Motojima, R. Sakamoto, S. Masuzaki, Y. Ueda, K. Nagasaki, M. Shoji, T. Mutoh, H. Yamada, Y. Takeiri, LHD experiment group
  • 学会等名: 8th IAEA Technical Meeting on Steady State Operation of Magnetic Fusion Devices
  • 発表場所: Nara, Japan
  • 年月日: 2015-05-26 – 2015-05-29
  • 国際学会
• [学会発表] Progress of Long Pulse Discharges by ECH in LHD (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Yoshimura, H. Kasahara, M. Tokitani, R. Sakamoto, Y. Ueda, S. Ito, K. Okada, S. Kubo, T. Shimozuma, H. Igami, H. Takahashi, T. Ii, S. Kobayashi, Y. Mizuno, T. Akiyama, N. Ashikawa, S. Masuzaki, G. Motojima, M. Shoji, C. Suzuki, H. Tanaka, K. Tanaka, T. Tokuzawa, H. Tsuchiya, I. Yamada, R. Makino et al.
  • 学会等名: 8th IAEA Technical Meeting on Steady State Operation of Magnetic Fusion Devices
  • 発表場所: Nara, Japan
  • 年月日: 2015-05-26 – 2015-05-29
  • 国際学会