平成２５年度PWI合同会合	
平成２５年８月２９－３０日 於：つくばサイエンスインフォメーションセンタ−大会議室	

LHDにおけるPWI研究・制御の進展	  
∼LHD	  定常-­‐PWIテーマグループ実験∼

時谷政行，上田良夫，吉田直亮，増﨑 貴，	  笠原寛史，吉村泰夫，長崎百伸，芦川直子， 武藤 敬，
LHD実験グループ	  1/26	

16サイクルで進めたPWIに関する研究課題	  ØØØØØ

He損傷を受けた壁面が定常放電プラズマへ与える影響の評価	  ICH加熱とECH加熱におけるHeの壁排気特性評価	  アモルファス系炭素堆積層の構造に関する詳細解析と水素保持特性	  
LHDボロン膜に対するトリチウム滞留挙動と炭素・酸素不純物との相乗効果に関する研究	  マテリアルプローブによるLHDプラズマ壁相互作用及び共堆積炭素膜特性の評価	ØØØØØØ

Mixed-­‐material堆積層の構造および粒子捕捉特性評価	  バイアス電圧印加によるLHD内ダストの輸送制御	  
LHD内ダスト量モニタリング法の開発	  ダストの移動メカニズムに関する実験	  Experimental	  study	  of	  the	  opBmized	  castellaBon	  for	  a	  new	  ITER	  W-­‐divertor	  in	  LHD	  Stellarator	  Dust	  counBng	  by	  electrostaBc	  dust	  detector	  in	  LHD	Ø ナノ構造タングステンの核融合炉内での影響と利用	  Ø 先進的タングステン被覆SiC/SiC複合材料およびSiC基複合材料の実機プラズマへの適応評価	  Ø 高温領域でのタングステンのスパッタリング特性	  Ø 閉ダイバータ化に伴うプラズマ対向壁の特性変化	  2/26	

PSI会議テーマとの関連	  1.	  	  	  Physics	  processes	  at	  the	  plasma-­‐material	  interface	  	  Ø Experimental	  study	  of	  the	  opBmized	  castellaBon	  for	  a	  new	  ITER	  W-­‐divertor	  in	  LHD	  Stellarator	  2.	  	  	  Material	  erosion,	  migra<on,	  mixing,	  and	  dust	  forma<on	  	  ØØØØØ

Mixed-­‐material堆積層の構造および粒子捕捉特性評価	  アモルファス系炭素堆積層の構造に関する詳細解析と水素保持特性	  マテリアルプローブによるLHDプラズマ壁相互作用及び共堆積炭素膜特性の評価	  閉ダイバータ化に伴うプラズマ対向壁の特性変化	  LHDにおけるレーザー光散乱による微粒子の発生と挙動の解析	

3.	  	  	  Plasma	  fuelling,	  par<cle	  exhaust	  and	  control,	  tri<um	  reten<on	  	  Ø He損傷を受けた壁面が定常放電プラズマへ与える影響の評価	  Ø ICH加熱とECH加熱におけるHeの壁排気特性評価	  4.	  	  	  Wall	  condi<oning	  and	  tri<um	  removal	  techniques	  Ø LHDボロン膜に対するトリチウム滞留挙動と炭素・酸素不純物との相乗効果に関する研究	  5.	  	  	  Impurity	  sources,	  transport	  and	  control	  	  ØØØØ

バイアス電圧印加によるLHD内ダストの輸送制御	  LHD内ダスト量モニタリング法の開発	  ダストの移動メカニズムに関する実験	  Dust	  counBng	  by	  electrostaBc	  dust	  detector	  in	  LHD	

6.	  	  	  Edge	  and	  divertor	  plasma	  physics	  7.	  	  	  Power	  exhaust,	  plasma	  detachment,	  and	  heat	  load	  control	  8.	  	  	  Far	  SOL	  transport	  and	  plasma	  wall	  interac<on	  in	  main	  chamber	  9.	  	  	  Plasma	  edge	  and	  ﬁrst	  wall	  diagnos<cs	  	  10.	  	  	  Plasma	  exhaust	  and	  plasma	  material	  interac<on	  for	  fusion	  reactor	Ø ナノ構造タングステンの核融合炉内での影響と利用	  Ø 先進的タングステン被覆SiC/SiC複合材料およびSiC基複合材料の実機プラズマへの適応評価	  Ø 高温領域でのタングステンのスパッタリング特性	  3/26	

種種種

種

1.	  ヘリウムによる材料損傷	  3.	  熱・粒子負荷制御	  2.	  Mixed-­‐material堆積層	  （4.	  中性子照射効果）	  4/26	

第16サイクルの目標	
LHD第１６サイクルの目標および方向性について(目標)• 1x1019 m-3を超える密度での1時間定常維持(高性能定常放電の実現)• 金属第一壁が受ける損傷と水素捕捉量の定量的な相関関係評価• プラズマ対向材料としてのタングステンの特性評価

ダスト挙動の解明

PFC材料の表面変質ダスト源推定(CCD)
ダスト挙動評価(高速カメラ)

粒子評価・制御
マスフロー導入(小 < 0.2 Pa・m3/s
大< 1.7 Pa・m3/s )SSGPによる水素供給

粒粒⼦子

PWI	

Heプラズマ照射と堆積層が粒子捕捉特性に与える影響→ PWI発表で報告

加熱源増強・充実
熱負荷

局所加熱の低減
HAS(dipole運転)によるRFシース加熱低減
熱負荷の高い箇所へのCFC材の適用

加熱

ICH:4系統(HAS,PA)(2MW/CW)(イオン加熱)
制御システムの改善
ECH:3系統(82,77GHz)(0.7MW/CW)
NBI:BL4
0.5MW/1イオン源@90s)
5/26	

【目標】	  定常放電で解決すべき事項は？	  
（A）	
密度上昇によるプラズマ崩壊	
急激な密度上昇	  ↓	  維持密度通過	  プラズマ崩壊	

粒粒⼦子

熱負荷

PWI	

加熱（B）	
不純物混入による定常放電の停止	スパーク、スパッタリング	  鉄(不純物)の混入	  ↓	  プラズマ冷却	  ↓	  放射崩壊,	  breathing	

PFC材料の表面変質粒子評価・制御

Heプラズマ照射と堆積層が粒子捕捉特性に与える影響

マスフロー導入
SSGPによる水素供給

ダスト挙動の解明

ダスト源推定(CCD)
ダスト挙動評価(高速カメラ)
局所加熱の低減
HAS(dipole運転)によるRFシース加熱低減
熱負荷の高い箇所へのCFC材の適用

加熱源増強・充実
ICH:4系統(HAS,PA)
制御システムの改善
ECH:3系統(82,77GHz)(0.7MW/CW)
NBI:BL4
0.5MW/1イオン源@90s
6/26	

定常+PWI研究として考えられるテーマ(A)	  0.2
0.0
0100

200 300 400
Depth [nm]500600Depo.	  layer	

PWIの観点からわかっていること	  ・金属と炭素材のMixed-­‐materialの形成とHeによる損傷層の形成が壁面の粒子捕捉特性を変化させ得る．	

0.4Graphite	

課題	  ・壁がsourceとなり，燃料粒子供給過多	  ⇒どのような壁面状態が燃料粒子放出を促進するのか？	  
⇒場所によってsourceとsinkが異なるのか？	  
⇒時間が経過すると，sinkがsourceになるのか？	  
⇒加熱手法(ICH	  or	  ECH)との関係性が不明	  H/C	  （A）密度上昇によるプラズマ崩壊	  	  	  材料分析 (PWI)	  1. He損傷を受けた壁面が定常放電プラズマへ与える影響の評価	  2. ICH加熱とECH加熱におけるHeの壁排気特性評価	  ⇒ダイバータと第一壁は分けて考える必要がある．	  
第16サイクルは第一壁材料(SUS316L)に対して評価．	

1µm	  7/26	

（A）ステンレス鋼の照射実験を実施	  １．He損傷を受けた壁面が定常放電プラズマへ与える影響の評価	
He損傷を受けたステンレス壁面で水素の捕捉特性を調べる．	  

u実験前半に実施 (2012,	  10/26(金),	  29(月))	
前半	  (ICH+ECH)	  1A:	  ICH+ECH	  (He)	  948s	  +	  ECH	  (H)	  175s 	
前半	  (ECH)	   1B:	  ECH	  (H)	  174s	

Vacuum	  vessel	  ２．ICH加熱とECH加熱におけるHeの壁排気特性評価	
加熱方式(ICHとECH)の違いで，対向材料へのHeの吸蔵・放出特性がどのように異なるのかを検証する．	

u	  実験後半に実施 (2012,	  12/5(水),	  6(木)	  実施)	後半	  (ECH)	  2A:	  ECH	  (He)	  1000s	  	  	  	   (ICH+ECH)	  2B:	  ICH+ECH	  (He)	  1000s	
後半	  Plasma	  試料挿入位置	  ステンレス(SUS316L)試料 ⇒4.5Lポートの試料駆動装置より第一壁位置へ挿入	
C	  135°	  TDS	  TDS	  GD-­‐	  OES	  回転シャッター	
4.5L	  Port	  1A/2
A	   +

試料：SUS316L
TDS：4個GD-OES：2個
TEM:4個
FIB：0個	

試料台	

8/26	

ICH長時間放電時のHe粒子供給量の変化	
必要粒子供給量の低減	•••600ｓ程度までは制御可能(磁気軸swingによる加熱入力の変動に合わせて、密度制御を達成)	  600sを超えると、粒子供給量過多になり密度がゆっくり上昇する	  800sで外部からの粒子供給著しく減らす必要が生じる	  H. Kasahara et al.

9/26	

定常放電曝露後のSUS微細構造(TEM)	  前半	  H	  (ECH)	  後半 He	  (ECH)	  後半	  He	  (ICH+ECH)	  バブル観察条件	  前半	  He	  (ICH+ECH)	  +	  H	  (ECH)	  歪場観察条件	  10nm	  20nm	  前半	  He	  (ICH+ECH)	  +	  H	  (ECH)	  前半	  H	  (ECH)	

後半 He	  (ECH)	

後半	  He	  (ICH+ECH)	

Damage	

あり	

なし	

なし	

あり	

Deposi<on	なし	

あり	

あり	

あり	 10/26	

SUS試料の微細構造(断面)	  前半	  He	  (ICH+ECH)	  +	  H	  (ECH)	  後半 He	  (ECH)	  後半	  He	  (ICH+ECH)	  	 2keV-­‐He飛程	  (TRIM)	

DeposiBon	
Damage		 Damage	DeposiBon	

20nm	

20nm	

20nm	

uポイント	  ØECHではSUS基板（マトリクス）に到達するイオンが少ない。	  
ØICHでは，∼2keV程度のエネルギーのイオンが多く入射され、損傷を形成する。	  
Ø実験前半よりも後半に，堆積層の形成量が多い．	  
⇒積算放電時間が長くなると，堆積層の形成されやすい環境に変化	  11/26	

SUS試料からの He	  のTDSスペクトル	  101710161015400600800 1000 1200 1400

Temperature [K]堆積層	

SUS基板中のHeバブル	21A	He desorption rate [He/m s]

18

堆積層	

SUS基板中のHeバブル	

2A	1810171016101510400600

800 1000 1200 1400

Temperature [K]Ø Heの総捕捉量は ICH放電のほうが大きい.	  
Ø SUS基板中のHe蓄積量が多い	  	  Ø 主なHe捕捉サイトが3つの試料で異なる．	  
① :	  SUS基板.	  
② :	  Mixed-­‐material堆積層．	  
③ :	  Mixed-­‐material堆積層とSUS基板．	

Total retention [He/m2]

10③ 後半	  He	  (ICH+ECH)	  後半 He	  (ECH)	  2

SUS基板中のHeバブル	

②
He desorption rate [He/m s]

SUS基板中の歪場	

2

He desorption rate [He/m s]①前半	  He	  (ICH+ECH)	  +	  H	  (ECH)	  1018101710161015400600

800 1000 1200 1400

Temperature [K]x1020	1.2
1.00.80.6
0.40.20.0

2B	

1AHe	  Total	  reten<on	

①	1B

2A

2B

②	 ③	Specimen name12/26	

定常放電で問題となるHe保持/放出機構	  後半 He	  (ECH)	  前半	  He	  (ICH+ECH)	  +	  H	  (ECH)	  DislocaBon	  loop	  He	  

22A	

1810171016

1015

10Depo.	  layer	
He	  bubble	  He desorption rate [He/m s]

1A	

後半	  He	  (ICH+ECH)	  Mixed-­‐material堆積層による捕捉⇒	∼1019He/m2/10nm	

2

Heバブル周辺の歪場による捕捉	

ターを再起動して再度ファイルを開いてください。それでも赤い x が表示される場合は、イメージを削除して挿入してください。

He desorption rate [He/m s]

イメージを表示できません。メモリ不足のためにイメージを開くことができないか、イメージが破損している可能性があります。コンピューSUS	  Matrix	

400600800 1000 1200 1400

Temperature [K]10181017101610152B	400600

800 1000 1200 1400

Temperature [K]

イメージを表示できません。メモリ不足のためにイメージを開くことができないか、イメージが破イメージを表示できません。メモリ不足のためにイメージを開くことができないか、イメージが破損している可能性があります。コンピューターを再起動して再度ファイルを開いてください。それで損している可能性があります。コンピューターを再起動して再度ファイルを開いてください。それでも赤い x が表示される場合は、イメージを削除して挿入してください。

も赤い x が表示される場合は、イメージを削除して挿入してください。

He	  He	  He	  bubble	  DislocaBon	  loop	  Heの弱い捕捉機構(室温~200℃程度の放出)が2種類あることがわかる．	  
1. Heバブル周辺の歪場.	  
2. Mixed-­‐material堆積層. ⇒温度が上がり易く，予期しないガス放出を招く	  
⇒高い水素吸蔵能力を持っていることもわかっている．	

à これら2つが室温壁マシンであるLHDの粒子リサイクリングに影響	  13/26	

	  イオンビーム実験による組織との比較	  uHe照射中のSUS試料の連続TEM観察像	

SUS試料中に著しいドット状欠陥の増加 ・ Heバブルの成長	

前半	  He	  (ICH+ECH)	  +	  H	  (ECH)	  バブル観察条件	  バブル観察条件	  2keV-­‐He+	歪場観察条件	  歪場観察条件	  ５E21	  1E22	  

バブル観察されず	

10nm	  10nm	  1E20	  Un-­‐irrad.	  

2E21He/m2	  5E20	  20nm	  2E21	  5E21	  1E22	  20nm	  前半	  He	  (ICH+ECH)+	  H	  (ECH)試料は 2keV-­‐Heを∼	  1021He/m2照射した程度のダメージ	
14/26	

Summary	 課題：（A）密度上昇によるプラズマ崩壊	  Ø 定常放電(He)中の第一壁表面にはHeを捕捉するMixed-­‐material堆積層が形成される．	  
Ø Mixed-­‐material堆積層でもバルクのステンレス鋼でも低温域(室温~200℃)で急激なHe放出を招く．
Mixed-­‐material堆積層のHe吸蔵能は∼1019	  He/m2程度．	

Ø しかし，熱伝導率の低いMixed-­‐material堆積層では温度上昇が起きやすく（さらに、基板との密着性も弱い），バルクと比較して急激なHe放出が発生し易い。	  

Ø 積算放電時間が長くなると第一壁に堆積層ができやすくなる．	  
Ø 理由として考えられるのは，(1)ダイバータ炭素材が損耗と再堆積を繰り返して移動し、第一壁に到達する、あるいは，(2)フレーク状堆積物が形成されたのち，剥離して（もしくは，アーキングにより）プラズマ中に入り，その後第一壁に堆積する．	  

Ø ICHの場合はSUS基板に損傷形成可能なエネルギーの粒子（keVオーダー）が入射されるが，ECHではほとんどない。	  

l Mixed-­‐Material	  堆積層とSUSマトリクスにおける粒子捕捉/放出挙動の理解が進んだ．	  
l ICH放電とECH放電の壁材料に与える影響の違いが明らかになった．	
l 今後は、グローバルな粒子挙動との関連性をより明確にし、粒子制御の方策を示す必要がある．	

15/26	

（B）不純物混入による定常放電の停止	  課題	  ・Feの混入により密度維持困難・放射崩壊でプラズマ放電停止に至る．	  
・混入経路と原因がわからない．	
PWIの観点からわかっていること	  ・金属と炭素材のMixed-­‐material堆積層が至る所でフレーク状に形成されている．これらの剥離・放出が急激な不純物混入の原因ではないか？	

Flake	  on	  LHD	  divertor	  Ble	  SEM	

200µm	  定常+PWI研究として考えられるテーマ(B)	  	  	  	  	  1. ICHアンテナファラデーシールド	  2. 閉ダイバータドーム上	  3. 閉ダイバータドーム下	  3ヶ所に形成されたMixed-­‐material堆積層の微細構造解析を実施	  16/26	

１．ICH	  ファラデーシールド上のフレーク状堆積物	  採取場所	  断面	  TEM	  像	ナノ加工	5mm	  u FIB	  nano-­‐fabricaBon	  was	  conducted	  Ø 緻密な層構造を持つMixed-­‐material堆積層.	  
Ø 機械的に脆い構造．	  

10µm	  200nm	  17/26	

Mixed-­‐material堆積層のSTEM-­‐mapping	  u フレークの構造と組成	  Ø Fe,	  C,	  Oを含むMixed-­‐material	  堆積層.他の堆積層よりもOが特に多い．	  
Ø 	  酸化Fe	  であるため構造上硬く脆い.	  
Ø 主構成元素はFe．SUSが損耗して近距離輸送により再堆積していると考えられる．	  
Ø ファラデーシールドを，低スパッタリング率の金属(W,	  Moなど)に交換すれば，フレーク状堆積物はかなり抑制できると考えられる.	  

BF	  image	Fe	200nm	  C	

O	18/26	

２．閉ダイバータ “DOME上”	
サイクル初期にFe堆積層が形成された後，サイクル後期には主要な構成元素はCに移り変わる．	  
金属堆積層が堆積層剥離の起点となり，フレークを 生成する． [1]	  5mm	  Top	  side	[1]	  M.	  Tokitani	  et	  al.,	  J.	  Nucl.	  Mater.	  417	  (2011)	  668	Back	  side	

100µm	  100µm	  1000

1000aカーボンテープを下に敷いて測定

2400

640

C	  rich	

480
400

1200

320

1000

00.00

1.00

2.00

3.00

4.00

Fe

160

Fe

600

200

240

FeKesc

800

5.00
keV

6.00

FeKescCrCr
FeFe

Counts

1400

FeCounts

1600

400

Fe	  rich	

560

1800

O Cr
Cr Fe

2000

C2200

807.00

8.00

9.00

10.00

00.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00
keV

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

19/26	

Mixed-material 堆積層 “DOME上”	
C	1µm	  Fe	

Ø緻密な層構造で構成されている．	  
Ø主要構成元素はC	  Øダイバータの炭素板の損耗と近距離輸送・再堆積により，炭素主体の堆積層が形成される．	  
Øこのような堆積層では，Cが水素同位体を多量に捕捉し，Fe層で剥離して真空容器中に放出される．	  

20/26	

３．閉ダイバータ “DOME下”	
1000
1350

Mixed-­‐material	  of	  C	  and	  Fe	(c)	

C

1050
900

Counts

フレーク状堆積物が多量に存在

1200

750

15000.005mm	  

1.00

2.00

3.00

4.00

Fe300

O Fe

450

FeFeKesc

600

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

keV

(d)	

Replacement
position

(a)	

(b)	
1µm	  u 緻密な層構造を持つMixed-­‐material堆積層	  u 主要構成元素はCで僅かにFe層を含む	  u ドーム上と同様に，炭素の損耗と近距離輸送・再堆積によりフレーク状堆積層が形成される．	  

21/26	

ダイバータ受熱板をWタイルに交換	
Mixed-­‐material堆積層抑制のため，ダイバータ受熱板をVPS-­‐W	  コーティングタイルに交換	  ドーム下壁表面に多量のフレーク状堆積物を確認．
Before	  campaign	Replacement
position
The VPS-W with 125µm thickness
was coated on the IG tile.

VPS-­‐W	  layer	

t=125µm	  Divertor	  <le	W-­‐Re	  	  （Isotropic	  graphite)	   mulB	  layer	

(a)	

(b)	
ドーム下	22/26	フレーク状堆積物を抑制できた “NO DEPOSITS”	
Afer	  campaign	Drastically improved“No deposition”(a)	
VPS-­‐W	  コーティングタイル
はMixed-­‐material堆積層の抑制に効果的である。	  

(b)	

(c)	

23/26	

Summary	
課題：（B）不純物混入による定常放電の停止	  １．アンテナファラデーシールド，２．閉ダイバータドーム上，３．閉ダイバータドーム下，に形成されたMixed-­‐material堆積層について微細構造を解析し，堆積層の剥離・放出機構について以下のように検討した．	

1. ICHアンテナファラデーシールド	  Ø 酸化鉄を主とするMixed-­‐material堆積層．⇒ファラデーシールドで損耗した鉄の近距離輸送・再堆積	  Ø ファラデーシールドの材料を低損耗材料(MoやW)などに交換すればフレーク状堆積物は抑制できると考えられる．	  

2. 閉ダイバータドーム上	  Ø Cを主とするMixed-­‐material堆積層 ⇒閉ダイバータ材料である炭素の近距離輸送・再堆積	  3. 閉ダイバータドーム下	  Ø Cを主とするMixed-­‐material堆積層 ⇒閉ダイバータ材料である炭素の近距離輸送・再堆積	  Ø VPS-­‐Wコーティングタイルをダイバータ受熱板に使用することでフレーク状堆積物はほぼ完全に抑制できた．	

24/26	

PWI制御による定常放電の安定化	
定常放電に関するダイジェスト	
粒子供給制御	プラズマ加熱	

0.034Pa・m3/s@5min
壁飽和 ~ 800 sec
壁飽和後の粒子制御が重要	

PAアンテナ(7.5)で、急激なインピーダンス変化多発の原因解明が重要

PWIで発表	粒子	

加熱入力不足により密度維持困難 ~ 数秒	
不純物混入	

熱・高エネル	  ギー粒子	

捕捉	放出	

プラズマ	

不純物混入	

フレーク、堆積層の形成	損耗率の高い炭素の再堆積層に蓄積されたHeが粒子バランスや不純物混入に影響する可能性あり	

アンテナ	  スパーク	  ファラデーシールドの低損耗材料化により，フレーク層の抑制が可能	

25/26	

定常-PWI連携による効果	
定常放電に関するダイジェスト	

26/26