(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トリチウムを含む材料の表面に紫外光レーザを照射してアブレーションを生じさせると共にトリチウムを分析可能な形で放出させる工程
を含む放射性物質の計量管理のための取扱方法。
【請求項２】
前記材料の表面が核融合炉のプラズマ対向面である請求項１記載の放射性物質の計量管理のための取扱方法。
【請求項３】
前記紫外光レーザがファイバないしはミラーを介して核融合炉内に導入される請求項２記載の放射性物質の計量管理のための取扱方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、核融合炉等のトリチウムを扱う装置内における放射性物質の計量管理のための取扱方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
核融合炉は、水素同位体である重水素（Ｄ）とトリチウムを燃料としており、これらの元素の核融合反応を生じさせるためには、約１億度以上のプラズマ状態を保持する必要がある。プラズマの保持は、真空容器内につくられる磁場によって行われるのであるが、そのプラズマに面しているプラズマ対向機器の材料表面は、これらの燃料ガス（Ｄ、Ｔ）およびそのプラズマに直接さらされることとなり、その材料中にこれらの元素が溶け込んでいくこととなる。
【０００３】
図６は、炉心周辺の燃料の流れを模式的に示した図である。超電導コイル５５で囲まれた真空容器５１内に燃料注入装置から重水素、トリチウムが供給される。真空容器５１の内部空間にプラズマ６３を発生させ、そのプラズマを種々の励起手段によって１億度以上の温度に加熱する。真空容器５１、ダイバーター板６１には燃料ガス及びそのプラズマが直接接することとなり、その材料中に燃料ガスの元素が溶け込むこととなる。
【０００４】
一方、トリチウムは放射性元素であり、核融合炉全体の安全管理上そのインベントリーを管理する必要がある。プラズマに接するプラズマ対向面中に溶け込んでいるトリチウムの全放射能を知るためには、対向面の表面のみならず、深さ方向にもどのようにトリチウムが分布するかを知ることが望まれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
核融合炉のプラズマ対向面等のように、トリチウムを含有する材料において、その材料表面および材料中に捕獲されたトリチウムを測定管理する必要性が指摘されている。しかしながら、現在までトリチウムの捕獲量を測定する確立された技術は存在しない。
【０００６】
本発明の目的は、表面または表面層にトリチウムを含む材料中のトリチウムを計量管理するのに適した放射性物質の計量管理のための取扱方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、トリチウムを含む材料の表面に紫外光レーザを照射してアブレーションを生じさせると共にトリチウムを分析可能な形で放出させる工程を含む放射性物質の計量管理のための取扱方法が提供される。
【０００８】
トリチウムを含む材料の表面を蒸発させれば、捕獲されていたトリチウムが解放され、そのトリチウム量を策定することが可能になる。しかしながら、広い面積中に捕獲されたトリチウム量を測定する場合、全表面を測定することは容易でない。
【０００９】
限られた測定表面内で測定を行う場合、所望表面の極表面層のみを蒸発ないし気化させることが望まれる。除去される表面層の深さも均一でないと精度の高い測定は困難である。紫外光レーザを照射し、材料表面をアブレーションさせると、光化学的作用により、照射面積内のみを均一に蒸発ないし気化させることが可能になる。したがって、広い表面積中の限られた面積のみを測定しても、全表面積に捕獲されているトリチウム量を高精度に算出することが可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
核融合炉内でプラズマと直接対向する第１壁には、グラファイト、ベリリウム等が使われる可能性が高い。また、ダイバータの材料としてはタングステンが候補として上げられている。また、構造材としてステンレス鋼（ＳＵＳ）も用いられる。このような材料の表面を均一に一定の厚さ取り出す技術として、本発明者らは紫外光レーザによるアブレーションを採用した。
【００１１】
赤外線レーザや可視光レーザによる表面層の蒸発も考えられるが、これらの場合には熱的な作用が大きく、狭い面積を一定の深さ均一に気化させることは難しい。蒸発によって除去される領域が不均一な深さを有すると、脱離したトリチウムからプラズマ対向機器全表面でのトリチウム量を高精度に推定することが困難になってしまう。
【００１２】
紫外光レーザによるアブレーションの場合には、熱的な作用は少なく、また材料の吸収率が一般的には紫外では大きいので主に光化学的な作用によって表面層のみが削られる。したがって、均一な厚さの表面層を削ることができる。脱離するトリチウムを測定すれば、アブレーションされた体積中に捕獲されていたトリチウム量を高精度に測定することが可能であろう。
【００１３】
まず、核融合炉内でトリチウムを含むプラズマに直接面する部分の材料として用いられる可能の高いグラファイト、ステンレス（ＳＵＳ）、タングステン（Ｗ）、およびテスト用にチタン（Ｔｉ）に対し、紫外光レーザによるアブレーションがどの程度生じるかを調べた。
【００１４】
図１は、各種材料のエッチング速度とエネルギ密度の関係を示すグラフである。横軸は照射紫外光レーザのエネルギ密度を（Ｊ／ｃｍ2 ）の単位で示し、縦軸はエッチング量を（μｍ／ショット）の単位で示す。
【００１５】
アブレーション用のレーザとしては、ルモニクス社製ＥＸ７００のＫｒＦエキシマレーザを用いた。発振周波数は２００Ｈｚであり、パルスあたりのエネルギ量は４００ｍＪ／パルス（パルス幅１２〜２０ｎｓ）である。このエキシマレーザ光をアパーチャで１．５ｍｍ×１．０ｍｍの矩形状にカットし、アパーチャの像を焦点距離３５ｍｍのレンズを用いて１／１０の縮小率で縮小投影し、面積（０．１５ｍｍ×１．０ｍｍ）に照射した。レンズ材料は合成石英である。
【００１６】
アブレーション後の形状はレーザ顕微鏡で観察した。レーザ出力を変えることにより、エネルギ密度を３−２０Ｊ／ｃｍ2 の範囲で変化させた。加工後レーザ顕微鏡を用いて加工形状を測定し、エッチング深さを得た。なお、形状測定には約１μｍ以上の深さが必要であったため、各エネルギ密度で材料に応じて以下のショット数を照射し、ショット毎のエッチング量を算出した。
【００１７】
ＳＵＳ      ：１００ショット
グラファイト：２０ショット
タングステン：１００ショット
チタン      ：１００ショット
【００１８】
図１のグラフより用いた各材料が紫外光レーザでアブレーションできることが判る。さらに、タングステン以外の材料は、エネルギ密度の増加と共にエッチング量（エッチング速度）がほぼリニアに増大している。
【００１９】
次に、エネルギ密度を一定にした場合、ショット数によってエッチング量がどのように変化するかをステンレス（ＳＵＳ）を例にとって調べた。
【００２０】
図２に、測定結果を示す。横軸はショット数を示し、縦軸はエッチング深さをμｍで示す。エネルギ密度が６Ｊ／ｃｍ2 の場合と、１２Ｊ／ｃｍ2 の場合を測定したが、図２に示すようにいずれの場合においてもエッチング深さはショット数にほぼリニアに変化する。
【００２１】
このように、紫外光レーザを用いることにより、第１壁材料として用いられる可能性の高い種々の材料表面を適切に高精度にアブレーションできることが確認できた。
【００２２】
次に、材料表面をアブレーションした時、アブレーションされた表面層に捕獲されていたトリチウムを測定できるか否かを調べた。
【００２３】
図３は、アブレーション時に解放されるトリチウムを測定する測定系を示す。なお、トリチウムは放射性を有するため、測定は非放射性同位体である水素を用いて行った。また、測定上の便宜を考え、アブレーションする材料としてはＴｉを用いた。
【００２４】
図３において、真空容器１は約１リットルの容積を有し、その上面に紫外線を透過する窓２、側面に排気ポート４を有する。真空容器１の底面上にはヒータ３が配置され、その上にアブレーションすべきターゲット１０を載置する。排気ポート４には配管５が接続され、ターボ分子ポンプ６およびロータリポンプ７で排気される。
【００２５】
配管５の中間点において、電離真空計８および四重極質量分析器１１が接続されている。窓２から紫外光を入射するためのアブレーション用レーザ１４としては、Ｎｄ：イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）の４ωレーザを用いた。すなわち、Ｎｄ：ＹＡＧの出射光を１／４まで波長変換し、２６６ｎｍの紫外光レーザを発射する。エネルギは５ｍＪ／パルス（パルス幅８ｎｓｅｃ）であった。
【００２６】
この紫外光レーザを焦点距離１５０ｍｍのレンズ１５で集束し、ターゲット１０に照射した。なお、レンズ１５および窓２は合成石英製であった。ターゲット１０としては、水素吸着能力の高いＴｉを用いた。厚さ７５μｍのＴｉ箔を用い、真空中４００℃でベーキングし、表面の吸着物を一旦除去した後、真空容器１内に水素を導入した。導入後の真空容器内の圧力変化から、Ｔｉ箔４に吸蔵された水素の量は、ほぼＴｉＨ2 に相当する量と推定される。
【００２７】
図３に示す測定系を用い、水素吸蔵前のＴｉ箔および水素吸蔵後のＴｉ箔でアブレーションを行い、質量分析計１１で水素を測定した。
【００２８】
図４は、この測定結果を示す。横軸は時間を示し、縦軸は質量分析計で検出した水素信号の強さを任意単位で示す。
【００２９】
図４（Ａ）は、水素吸蔵前のＴｉ箔４に上述の紫外光レーザを照射し、アブレーションを行った場合の結果を示す。紫外光レーザの照射に対応し、検出水素量がパルス状に変化していることが判る。水素導入前にＴｉ箔を４００℃まで加熱したが、この処理によってはＴｉ箔から完全には水素が離脱していないものと考えられる。
【００３０】
図４（Ｂ）は、水素吸蔵後のＴｉ箔をアブレーションした時の結果を示す。縦軸が図４（Ａ）と比べ１桁違うことに注意されたい。
【００３１】
図４（Ａ）の場合と同様、紫外光レーザの照射に対応して検出水素信号がパルス状に変化していることが明瞭に判る。さらに、図４（Ａ）の場合と比較し、検出信号強度が約１桁増大している。
【００３２】
これらの結果から、アブレーションにより除去される表面層内から水素が離脱し、検出できることが判る。
【００３３】
なお、この実験に用いたＴｉ箔は水素吸蔵により脆くなったと考えられる。このような状態では、所望のアブレーションが行われているか否か保証ができないが、少なくともアブレーションにより表面に吸蔵された水素が解放されること、吸蔵された水素量に応じ、検出信号強度が変化することはこの実験結果から明らかであろう。
【００３４】
実際に核融合炉のプラズマ対向面を紫外光レーザでアブレーションする場合は、より良好な結果が得易いものと期待される。
【００３５】
図５は、本発明の実施例による材料表面からのトリチウム採取方法を示す。材料２０は、その表面にトリチウムを捕獲している。この材料２０表面にサンプル管２２を当て、内部空間を画定する。サンプル管２２中央には、紫外光レーザ導入用のファイバ２４が配置され、その先端にレンズ２６が配置されている。
【００３６】
ファイバ２４を通って伝達された紫外光レーザは、レンズ２６で集束され、材料２０の所定面積表面に照射される。紫外光レーザを照射された材料２０表面ではアブレーションが生じ、エネルギ密度およびショット数に応じて表面が削られていく。アブレーションに伴い、表面から解離されたトリチウムは排気管２８を通って外部に引き出される。
【００３７】
排気中のトリチウム量を排気管２８に接続された四重極質量分析計３０で測定することにより、アブレーションされた面積内でのトリチウムを測定することができる。なお、アブレーションに伴い、材料２０の表面は次第に削られていく。測定されるトリチウム量を深さの関数として調べることにより、材料２０の表面層における深さの関数としての捕獲トリチウム量を測定することができる。
【００３８】
なお、図５の装置においては、ファイバ２４から発射する全レーザ光をレンズ２６で集束し、材料２０表面上に照射したが、さらにアパーチャないしマスクを配置し、ファイバから出射後のレーザ光をさらに整形してもよい。ファイバに導入するレーザ光は、アブレーションすべき材料によって選択することもできる。たとえば、ＫｒＦエキシマレーザ以外のエキシマレーザや、Ｎｄ：イットリウムリチウムフロライド（ＹＬＦ）の波長変換レーザ等を用いてもよい。
【００３９】
離脱したトリチウムの測定手段は四重極質量分析に限らない。たとえば、他の質量分析や、電離箱等を用いることもできる。
【００４０】
紫外光レーザを用いたアブレーションにより、測定する材料表面は僅かに削られるが、核融合炉第１壁を例にとると、アブレーションで除去される表面層はごく僅かであり、第１壁の性能や強度に影響を与えることはほとんどない。アブレーションによる装置寿命の減少等は無視することができよう。
【００４１】
熱的な影響を避け、光化学的な作用によるアブレーションで表面層を削り取ることにより、均一厚さの表面層の採取が可能であり、高精度のトリチウム量測定が可能となる。さらに、アブレーション量の関数としてトリチウム量を測定することにより、材料表面における深さの関数としてトリチウム量を測定することも可能となる。
【００４２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、トリチウムを含む材料の表面層中のトリチウム量を高精度に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】予備実験におけるエッチング量とエネルギ密度の関係を示す測定結果のグラフである。
【図２】予備実験におけるショット数とエッチング量の関係を示す測定結果のグラフである。
【図３】予備実験における水素（トリチウム）測定系を概略的に示すブロック図である。
【図４】図３における予備実験において得た測定結果を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例によるトリチウム測定系を示す概略図である。
【図６】核融合炉の構造を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
１  真空容器
２  窓
３  ヒータ
４  排気ポート
５  配管
６  ターボ分子ポンプ
７  ロータリポンプ
８  電離真空計
１０  ターゲット
１１  四重極質量分析計
１４  紫外光レーザ
１５  レンズ
２０  材料（測定対象）
２２  サンプル管
２４  ファイバ
２６  レンズ
２８  排気管
５１  真空容器
５３  ブランケット
５５  トロイダルコイル
５７  ポロイダルコイル
５９  中心ソレノイドコイル
６１  ダイバータ
【図１】
0003698821.tif 000002
【図２】
0003698821.tif 000003
【図３】
0003698821.tif 000004
【図４】
0003698821.tif 000005
【図５】
0003698821.tif 000006
【図６】
0003698821.tif 000007