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パルス・定常熱照射PWI研究
上田良夫、河合俊昇、阪本雄祐、大塚裕介（阪大）
菊池祐介、永田正義（兵庫県立大学）、栗下裕明（東北大）、吉田直亮（九大）、
鈴木 哲、関 洋治（JAEA）
平成25年度
第1回プラズマ物理クラスター・スクレープオフ層とダイバータサブクラスター会合
第3回炉工学クラスター・ブランケットサブクラスター会合
第1回炉工学クラスター・ダイバータサブクラスター会合
筑波大学プラズマ研究センターシンポジューム
双方向型共同研究「磁化プラズマ中の壁不純物粒子挙動とプラズマ特性への影響」会合

平成25年8月29日(木)8:50～17:50 30日(金) 9:00～17:10
つくばサイエンスインフォメーションセンタ−大会議室2アウトライン
 パルスレーザー繰り返し照射によるWの表面損傷
 純W
 W合金（W-Ta、W-Re）
 微結晶粒W（TFGR-W、TiC or TaC）

 表面損傷を持つWモノブロックの定常熱負荷影響
 表面損傷：パルスプラズマガン（兵庫県立大）、E-beam（JEBIS、JAEA）
 定常熱負荷実験：E-beam（JEBIS、JAEA）10 MW/m2、20 MW/m2

3ITERの熱負荷の想定事象
 定常熱負荷：～10 MW/m2
 単独では、Wダイバータ機器は問題なし Slow transient：～20 MW/m2（~10 s）
 定常熱負荷の2倍と見積る（非接触状態→接触状態、等を想定）
 Wダイバータ機器（特に冷却管とWの接合部）は、使用限界に近い ディスラプション：非放射化フェーズ
25.5～483 MJ/m2/s0.5（15MA、L mode）
（~48 MJ/m2/s0.5：W溶融限界）

 ELM：Type I（緩和なし）（非放射化フェーズ）～10 MJ/m2/s-0.5 (7.5 MA)、 ~200 MJ/m2/s-0.5 (15 MA) １５ MA運転時には、ELM緩和が必須
 7.5 MA運転時の影響は？

繰り返しパルス熱負荷実験セットアップ
 Plasma Production
 ECR discharge
 Plasma Parameters Electron temperature : ~10 eV Electron density : 1021 m-3
 He flux : ~1×1021m-2s-1
 Energy (w/ bias) : 30 eV
 Fluence : ~1×1024m-2

Laser specifications
Nd/YAG fundamental wave
Energy0.45J（Effective) Pulse
Width

130μs

Repetition

10Hz

Beam width＜10mm

Wavelength1064 nmConditions
He plasma

Energy Fluence

Max~１MJ/m2

Shot number

500~100,000

Angle of incidence

45°繰り返し熱負荷による表面状態変化（純W板材）*Heat flux factor （MJ m-2 s-1/2） ）Roughening, CrackingSurface Melting

510

200 µmNd/YAG laser（effective pulse length：～130µs）
Base temp.: 500ºC

500 µm240
200 µm500 µm500 µm500 µm5150

500 µm500 µm

表面温度が融点に達する熱負荷

72~5030500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µmMelting Threshold~1/4 of Melting Threshold

12500 µm

500 µm

5500 µm

1 mm

1*energy absorption ~0.3 is considered.

10,00030,000

Shot Number

50,0006 表面に凹凸が生じる→定常熱負荷でも局所溶融の可能性
 ITERWモノブロック
ではリーディングエッジ上限0.3 mm 凝固後の表面が滑らかであれば、ある程度のディスラプションには耐えられる ショット数が増えた場
合の表面状態変化を調べる必要あり

510 MJ/m2/s0.5

 溶融限界の約10倍（510）で、溶融表面不安定性が発現

200 µm500 µm240 MJ/m2/s0.5

高熱負荷による溶融（ディスラプション想定）

200 µm500 µmshots

104 shots

7

繰り返し熱負荷による表面状態変化（純W板材）*Heat flux factor （MJ m-2 s-1/2） ）Roughening, Cracking

Surface Melting

510

200 µmNd/YAG laser（effective pulse length：～130µs）
Base temp.: 500ºC

500 µm240
200 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm500 µm

15072~5030

500 µm500 µmMelting Threshold~1/4 of Melting Threshold

12500 µm

500 µm

5500 µm

1 mm

1*energy absorption ~0.3 is considered.

10,00030,000

Shot Number

50,0008高サイクルパルス熱負荷による表面変化（純W） 高サイクルパルス熱負荷照射により、表面の粗面化、亀裂の発生と進展、および部分的溶融が発生
 ドロップレットの放出や、ダストの発生を懸念 電子ビーム実験でも同様の結果（JUDITH）
(b)

(a)

500 µmHeat flux factor : 12 MJ/m2/t0.5Cycle number : 30,000

50 µm

Pulse energy : 1/5 of EMT 溶融限界の1/5105 cycles

100 µm

局所溶融
J. Linke, this meeting

Unacceptable?

10W 合金のパルス熱負荷影響

2530𝟏𝟏𝟒 shots

Heat flux factor[MJ/m2 ∙ s 0.5 ]Heat flux factor[MJ/m2 ∙ s 0.5 ]30252020

Cracking threshold

151510105𝟏𝟏𝟓 shots

NODAMAGE

溶融限界の10%W

NODAMAGENODAMAGE

5NODAMAGE

2%Ta-W 10%Re-W

WNO
DAMAGENODAMAGE

2%Ta-W 10%Re-W𝟒11

各材料の比較 (𝟏𝟏 shots, 15 MJ/𝐦𝟐 s0.5)
10%Re-W

2%Ta-W

Pure W

200um

250μm
200μm

250μm

200μm

10μm

10μm

10μm

• pure W, 2%Ta-Wでは、表面全体が粗面化＋亀裂• 10%Re-Wでは、表面の一部が粗面化＋わずかな亀裂

12TFGR-Wのパルス熱負荷影響
Osaka University

 TFGR-W試料
 栗下先生（東北大）開発
 従来の微結晶粒Wに超塑性加工を行う（SPMM）
 低温脆性と中性子照射脆性を改善
 TFGR-W 1.1wt％TiC


水素雰囲気化で作成
粒径：~1.5 µm
再結晶化によるランダム方向
TiCによる結晶粒界強化

 TFGR-W 3.3wt％ TaC
 Tiと同じ割合のTa含む

W-1.1TiC/H2-NH
As-HIPed

SPMM : 1650 C

100nm

800nm

Grain size : 90 nm Grain size : 1480 nm
SPMM (SuperPlasticity-based
Microstructural Modification)

13

TFGR-Wのパルス熱負荷影響
Heat flux factor(MJ/m2/s0.5)

Energy fluence(MJ/m2)120.14170.20300.34

溶融限界（~50）の~25%

初期温度：773 K、繰り返し104回

エネルギー吸収率0.27を仮定

 TFGR-Wは、純Wよりやや耐性が高いものの、低パルスエネルギー（溶融限界の1/4）で表面粗面化が発生
 TaC添加材の亀裂がやや細かいが、大きな違いはない。

14

パルス熱負荷印加後の表面状態（拡大） TFGR W-1.1wt%TiC
12 MJ/m2/s0.5

 TFGR W-3.3wt%TaC
9 MJ/m2/s0.510μm

17 MJ/m2/s0.510μm

17 MJ/m2/s0.5

10μm

10μm

shot number = 104, base temperature = 773K
粗面化は、細かい亀裂と表面の滑らかな隆起による

15

レーザー照射後の結晶組織（断面） 分析方法：FIBで切断後、TEMで断面観察
 表面の滑らかな部分

 TFGR W-1.1TiC
 2050 Kで表面近傍のTiCが消滅
 2900 Kで、結晶粒成長が観測される

 TFGR W-3.3TaC
 2900 Kでも結晶粒成長は観測されない→TaCが残り、粒成長を阻害No
heatpulses
172050 K
302900 K
Heat flux factor (MJ/m2/t0.5)
Maximum temperature (K)16

Surface damage
by pulsed plasma gun
Univ. Hyogo
50μm

50μm

2MJ/m2, 25shots

ITER Wモノブロックへの複合熱負荷照射
50μm50μm

17まとめ ディスラプションやELMによるパルス熱負荷による表面損傷とWの寿命評価は、ITERおよびDEMOで重要な課題
 すべてのW材料（純W、W合金、TFGR-W）において、溶融限界の10~25%のパルスエネルギーでも、104~105程度の繰り返し照射により、粗面化（Roughening）、亀裂の発生、局所溶融がみられた。ただ、この条件での損傷の程度は、TFGRWとW-Reが純WやW-Taに比べ小さい。
 ITERで想定されるパルス数（~107回、あるいはそれ以上）での表面状態変化、およびその炉心プラズマへの影響評価は今後の課題。
 表面損傷（パルス熱・粒子負荷）を持つWモノブロックは、20MW/m2の熱疲労試験で、少ないサイクル数（32ショット）で冷却管付近まで達する大きな亀裂が発生した。ただ、この亀裂は熱除去性能には影響しない。