ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�

磁化プラズマガンを用いたELM様パルスプラズマ照射実験の進展	
菊池 祐介，佐久間 一行，北川 賢伸，浅井 康博，
大西 晃司，福本 直之，永田 正義	
兵庫県立大学 大学院 工学研究科 電気系工学専攻	

ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�

発表概要	
1．背景：パルス熱負荷に関する研究		
2．磁化プラズマガン（兵庫県立大学）		
３．プラズマパラメータ・熱流計測
４．タングステン（W)へのパルスプラズマ照射実験
・微結晶粒Wサンプル（W-TiC, W-TaC）への照射
５．ダブルプラズマガンの初期結果
高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学�

６．まとめと今後の研究計画	

ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�

パルス熱負荷実験に関する共同研究	
・ 定常予照射W	
日米協力2009～	
PISCES-A @ UCSD (Dr. D. Nishijima,Dr. R. Doerner)
W-Fuzz	磁化プラズマガン装置＠兵庫県大パルス熱負荷照射実験	
・ 表面損傷を持つWの熱負荷応答	

・ Vapor shield現象の解明
LHD計画共同研究（～2013）（阪大、電通大、名大、愛工大、金沢大、長岡技科大、核融合研）	
・ W合金材、W被覆材、W組織制御材
阪大、東北大との共同研究	
SPICA装置＠核融合研
LHDダイバータ材へのパルス熱負荷照射実験（2012～）	
・ 定常-パルスプラズマ複合照射	

阪大、原子力機構との共同研究	

名大との共同研究	

プラズマガンのパルス熱負荷照射
によりWモノブロック材の表面損傷

ダイバータプラズマ模擬実験装置
NAGDIS-Iにプラズマガン装置を接続	

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電子ビーム装置（JEBIS＠原子力機構）
を用いてITER定常熱負荷を照射・複合照射実験を開始（2013年7月）	

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磁化プラズマガン＠兵庫県立大学	
Magnetized Coaxial Plasma Gun (MCPG)
高速電磁弁（ガスパフ）	
外部電極	

Capacitorbank
内部電極	

Igt

Ψtpr

バイアス磁場コイル	

CTプラズマ	ポロイダル電流とトロイダル電流を有するコンパクトトーラス（Compact Torus: CT）	プラズマが形成される。	
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高速（~ 300 km/s）で移送可能	ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�

磁化同軸プラズマガン＠兵庫県立大学	
（１） 高密度コンデンサの使用（最大電源エネルギー：10 kV, 2.9 mF, 144 kJ）（２） テーパー付きドリフト管によるプラズマの高密度化（３） 内部電極（SUS304）へのVPS-Wコーティング（0.2 mm）による不純物低減

Capacitor bank
(Max:10 kV, 2.9 mF, 144 kJ)
Targetchamber

E = 27 MJ/m2 (144 kJ/54x10-4 m2)	Bias field coil

φ83 mm (drift tube)	

Gas puffvalves

GND+-

Ignitron

Plasmoid

Ceramicinsulator

高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，
年electrode
11月21日，名古屋大学�
Outer
Inner electrode 2009

0100200300 mm

TMP

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磁化プラズマガン＠兵庫県立大学	

高速ガスパフ電磁弁	

プラズモイドフォーカスコーン	
バイアス磁場コイル	
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TMP	

ターゲットチャンバー	

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典型的な放電波形	
ガン電流: ~ 150 kA

放電ガス: 水素、重水素、ヘリウム

パルス幅: 0.2 ~ 0.3 ms

運転周期: 10分
Heプラズマ	

ガン放電電流	

イオンフロー速度	

線平均電子密度	
イオン温度	
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プラズマパラメータ計測	
・線平均電子密度計測： He-Neレーザ干渉計
・イオン温度、イオンフロー速度：イオンドップラー分光システム（IDS）
・熱流計測：カロリーメータ（C, Wチップ）、・磁気プローブ

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プラズマパラメータ計測（ne, B）	
・He-Neレーザ干渉計を用いた線平均電子密度計測
・バイアス磁場に対して、線平均電子密度および磁場は最大値をとる。
Vgun = 6 kV, z = 450 mm	

ne ~ 4.5x1021 m-3	Vgun = 6 kV, z = 450 mm	

B ~ 0.2 T	

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プラズマパラメータ計測（Vi, Ti）	・イオンドップラー分光器（1 m分光器、16ch PMT出力）・He II (468.6 nm)のドップラー拡がり（イオン温度）、ドップラーシフト（フロー速度）・バイアス磁場の増加で、イオンフロー速度は低下、イオン温度は上昇
He II (468.6 nm)	ゼロ速度

ドップラーシフト	Vgun = 6 kV, z = 450 mm	

Vi	

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Ti	

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プラズマエネルギー評価	
・計測したパラメータからプラズマエネルギーの評価	
Vgun = 6 kV, z = 450 mm	

運動エネルギー	

熱エネルギー	

電源エネルギー（Vgun = 6 kV）：
EPS = 54 kJ	
プラズマが持つエネルギー
Eplasma ~ 3 kJ	
電源エネルギーの6%程度

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ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�エネルギー密度計測	

C	・カロリーメータによるエネルギー密度計測
・バイアス磁場に対して、エネルギー密度はピーク値をとる。
・同じエネルギーのプラズマを照射した場合、グラファイトのほうがタングステンよりも吸収エネルギーが大きい。	

Ew ~ 0.6Ec	
W	

・プラズマエネルギーの30％（C）、18％（W）が材料に吸収される。	

材料の種類や表面状態（W-Fuzz等）
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で吸収エネルギーが変化する。	

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微結晶粒W（TFGR-W)に対するプラズマ照射	
（１）これまでのW試料への照射実験	
（PSI2010, PSI2012にて報告）	

・ITER-grade Wへの照射：	クラック形成、表面溶融の発生	
・W-Ta合金材：	クラック形成の抑制	
・VPS-Wフェライト鋼	
表面溶融の発生、接合面の健全性確認	

(b)

2 µm
ITER-grade W（２）微結晶粒W（TFGR-W）の照射実験	
栗下先生（東北大）、上田先生（阪大）との共同研究	
・添加物（TiC, TaC）を加えることで、結晶粒界の強度を高めている。	
パルス熱負荷時のクラックが形成されにくいと考えられる。	
・プラズマガンを用いたパルスプラズマ照射実験は従来報告されていない。	

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W-1.1%TiC, W-3.3%TaCへの照射実験を実施。	

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微結晶粒W（TFGR-W)に対するプラズマ照射	
・W-1.1%TiCにHeパルスプラズマ（~0.5 MJ/m2）を20ショット照射
照射前	

照射後	

10 µm	

10 µm	
拡大	・サンプルの周辺部のSEM写真
・周辺部に細かいクラックが発生
・中央部のクラックは抑制
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・小さい穴を確認：添加物が抜けた後に発生したと考えられる。	

5 µm	

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微結晶粒W（TFGR-W)に対するプラズマ照射	
・W-3.3%TaCにHeパルスプラズマ（~0.5 MJ/m2）を20ショット照射
照射前	

照射後	

10 µm	
拡大	・サンプルの周辺部のSEM写真
・細かいクラックが発生
・W-TiCと同様に小さい穴が確認される。
高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学�
5 µm	
・サンプル中央部ではクラック発生せず。	

10 µm	

ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�

ダブルプラズマガン装置	
・2台のプラズマガン装置を時間差をつけて動作。
・ターゲットに2つのプラズマを照射。	
E inj

Plasmoid 2

TargetPlasmoid 2 Plasmoid 1

Plasmoid 1にて形成された
Vapor shield	

ttdelay

Capacitor bank
(Max:10 kV, 2.9 mF, 144 kJ)

High-speed camera
IDS
Bias field coilGas puffvalves

GND+-Ignitron

Target

高村研OB
研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学�
Pre-heating
Ceramicinsulator

Inner electrode Outer electrode
TMP

材料	

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ダブルプラズマガン装置（初期結果）	
He II 発光強度	

・2台のプラズマガン装置を時間差をつけて動作させることに成功。
2nd	
・電源のコンデンサバンクの関係で単独運転と比較して電源パワーを下げて実験。
1st: 4 kV, 3 mF, 2nd: 6 kV, 1 mF
He II 発光強度	 ・時間差Δt、プラズマエネルギー等を変えて照射可能。	

Δt ~ 1 ms	
1st	Δt ~ 0.3 ms	
1st	

2nd	

時間差Δt = 0：プラズマ合体？	

高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学�

ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�

ダブルプラズマガン装置（初期結果）	
・プラズマ合体	He II発光強度の上昇
高エネルギー密度科学	

He II 発光強度	Δt = 0.3 ms	
プラズマ合体	
プラズマジェットの合体	
（Plasma Liner Ex.,
Los Alamos NationalLab.)

Mergedplasma

1st

2nd

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E.C. Merritt, PRL2013

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ダブルプラズマガン装置（初期結果）	
・イオン温度の上昇	

高エネルギープラズマの照射	
1st	
2nd	
プラズマ合体	・1st, 2ndの単独放電：Ti ~25 eV・プラズマ合体後：Ti ~100 eV

・1台のプラズマガンを高出力化する	よりも高効率に高エネルギープラズマ	生成可能。

高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学�

ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�まとめ	（1）プラズマパラメータ、熱流計測	
・線平均電子密度、イオン温度、イオンフロー速度、磁場計測	
・タングステン、グラファイトにおける熱流計測（2）TFGR-Wへのプラズマ照射実験	
・W-1.1%TiC, W-3.3%TaCへの照射	
・純W表面にて生じたメジャークラックの抑制	
・サンプル周辺部に微小なクラック形成と小さな窪みを観察	
添加物（TiC, TaC）の放出と考えられる。 	
（３）ダブルプラズマガン初期実験	
・2台のプラズマガンの動作を確認した。	
高村研
OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学�
・プラズマ合体時のHeII発光強度およびイオン温度の上昇を確認した。	

ダイバータおよびPWI合同研究会，2013年8月29-30日，筑波�

今後の研究計画	
（1）TFGR-Wへのプラズマ照射実験	
・XRD等を用いた表面構造の確認。 	
・プラズマエネルギー密度に対する表面損傷の依存性	
（２）ダブルプラズマガン実験	
・コンデンサバンクの増強	
・干渉計を用いた線平均電子密度計測	
・カロリーメータを用いたエネルギー密度計測	
（時間差Δtに対する依存性の評価）	
・照射前後の質量損失計測（時間差Δtに対する依存性の評価）	
・プラズマ合体を用いた高エネルギープラズマ生成と材料照射実験	
高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学�