ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

プラズマガンを用いたELM様パルスプラズマのタングステン材への照射実験
菊池 祐介，岩本 大希，佐久間 一行，北川 賢伸，
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，2012年7月23-24日，筑波大学

発表概要
1．研究の背景2．磁化プラズマガン（兵庫県立大学）
3．タングステンへ（W)のパルスプラズマ照射実験
・定常予照射Wサンプルへの照射
・W-Ta合金材、Wコーティング材への照射
4．今後の研究計画
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，2012年7月23-24日，筑波大学

ITERダイバータにおける高熱流プラズマ模擬実験
Type I ELMs
0.2-2 MJ/m2, 0.1-1 ms

Transient heat loads
模擬装置: 電子ビーム，レーザ
プラズマガン(b)

W表面におけるクラック

表面損傷:
溶融，クラック，ダスト
droplet splashing

高フラックス ~ 1024 m-2s-1
高フルーエンス ~ 1026 m-2

Steady-state heat loads
模擬装置: 電子ビーム，イオンビーム，直線型ダイバータプラズマ模擬装置
表面損傷:溶融，ダスト
W表面構造- Heバブル,- Dブリスター,- Fuzz
W fuzzRef.: S. Takamura, PFR 2006., M. Baldwin, NF2008.

by QSPA Kh-50
プラズマガンと定常プラズマ源による複合照射研究
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，2012年7月23-24日，筑波大学

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・ Vapor shield現象の解明
LHD計画共同研究（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
阪大との共同研究

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・ 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

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

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

・プラズマガン単体動作確認
・複合照射実験を2012年秋～

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磁化同軸プラズマガン＠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

Ψt

pr

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。
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

高速（~ 300 km/s）で移送可能

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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)

E = 27 MJ/m2 (144 kJ/54x10-4 m2)
Targetchamber

Bias field coil

φ83 mm (drift tube)

Sample or
Calorimeter

Gas puffvalves

GND+-Ignitron

Plasmoid

300 mmCeramic
insulator

Outer electrode

Inner electrode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
0100

200300 mm

TMP

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

磁化同軸プラズマガン＠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
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

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: ~ 100 kA
パルス幅: ~ 0.2-0.6 ms
放電ガス: 水素、重水素、ヘリウム
運転周期: 10分

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

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プラズマパラメータ計測
・He-Neレーザ干渉計による線平均電子密度計測
・材料照射位置（z = 340 mm）にて、線平均電子密度~2x1021 m-3
ガン電圧依存性
Z = 175 mm（z = 0が内部電極先端）

ガス種依存性Z = 340 mm, Vgun = 6 kV
HDHe

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

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プラズマパラメータ計測
・イオンドップラー分光器（1 m分光器、16ch PMT出力）・He II (468.5 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）
・イオン温度：20 eV、イオンフロー速度：70 km/s（Ei ~ 100 eV）

He II (468.5 nm)

Intensity (arb. unit)

5
4

Zero velocity(468.587 nm)

3
2
1

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

0468.3468.5
468.7
Wavelength (nm)468.9

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エネルギー密度計測
・カロリーメータによるエネルギー密度計測
・Vgun = 6 kVにて~2 MJ/m2を達成
・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。

Qab vs Ψbias

31.3 mm

Wモノブロックへの照射（阪大、原子力機構との共同研究）

Plasma flow

1.8 MJ/m2

H2Z=300 mm
1.1 MJ/m2
Micro-sized crack

・W表面溶融・クラック形成

H20.6 MJ/m2
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

Major crack

50μm

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

プラズマパラメータ（まとめ）エネルギー密度~2 MJ/m2

パルス幅0.2-0.6 ms

コンデンサバンク
エネルギー（最大）144 kJ(10 kV, 2.9 mF)

フロー速度

70 km/s

イオン温度

20 eV

入射イオンエネルギー

100 eV

線平均電子密度2x1021 m-3

フラックス

1.4x1026 m-2s-1フルーエンス~3x1022 m-2・ITERのtype I ELMで想定されているエネルギー密度のパルスプラズマの生成
・W表面溶融※Heプラズマの場合
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，2012年7月23-24日，筑波大学

W-Fuzzに対するパルスプラズマ照射
UCSD（Dr. D. Nishijima, Dr. R. Doerner）との共同研究
PISCES-A（UCSD）により定常D, Heプラズマ照射をしたITER-grade Wを兵庫県立大学に持ち込み、プラズマガン装置によりELM様パルスプラズマを照射した。
PISCES-A @ UCSD

プラズマガン装置＠兵庫県立大学

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

D blisters He-induced Fuzz
ITER-grade W, 直径：25.4 mm、厚さ：1.5 mm

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

W-Fuzzに対するパルスプラズマ照射
・定常Heプラズマ照射によりFuzzが形成されたWサンプル
・Heパルスプラズマ（0.3, 0.7, 1.1 MJ/m2）を1ショット照射・0.3 MJ/m2ではサンプル表面にほぼ変化なし
・0.7 MJ/m2では表面が灰色になり、アーク痕を確認（Dブリスターサンプルではアーク痕は確認されない）
アーク痕

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

0.3 MJ/m2

0.7 MJ/m2

1.1 MJ/m2

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

W-Fuzzに対するパルスプラズマ照射
パルスプラズマ照射前

パルスプラズマ照射後

1 µm
W-Fuzz：黒色

1 µm

W-Fuzz：黒色→灰色、白色（Fuzzが溶融し、表面が高村研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
スムースになるため）

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

W-Fuzzに対するパルスプラズマ照射
パルスプラズマ照射（1shot）によるW-Fuzzの質量損失
1shotで最大80 µgの質量損失が発生
W-Fuzz（厚さ：2 µm）の14%に対応※Dブリスターサンプルでは質量損失無し

溶融層の放出やアーキングによる高村研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
質量損失ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

W合金材、W被覆材に対する照射(1) ITER-grade W(2) W-Ta(2wt%)合金

大阪大学（上田教授）との共同研究
VPS-W被覆F82H

クラック形成の抑制が期待される。
(3) VPS W被覆低放射化フェライト鋼
F82H: Fe-8Cr-2W-0.1C
熱伝導率がバルクWの30 %程度(a) Unexposed

10 µm

W被覆厚：0.6 mm
W粒子: >10 µm
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

Ref.: T. Nagasaka et al., Fus. Sci. Tech. (2009)

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

W合金材、W被覆材に対する照射（１）ITER-grade W（pure W）
10 plasma pulses of ~0.3 and 0.9 MJ/m2
サイズ:10 mm x 10 mm x 1 mm

Sample Plasma flow
SUS

鏡面研磨
サンプルベース温度：室温
表面クラックの形成（~0.3 MJ/m2）
クラック幅： ~ 5 µm

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(a) Pure W, 0.3 MJ/m2

10 µm(b) Pure W, 0.9 MJ/m2

10 µm

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

W合金材、W被覆材に対する照射（２） W-Ta(2wt%)合金材
10 plasma pulses of ~0.3 and 0.9 MJ/m2
サイズ:10 mm x 10 mm x 1 mm
鏡面研磨
サンプルベース温度：室温
表面クラック：形成されない（~0.3 MJ/m2）
表面クラック幅（~0.9 MJ/m2） < 1 µm
表面クラック形成の抑制（エネルギー密度閾値の上昇）

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(a) W-Ta, 0.3 MJ/m2

10 µm(b) W-Ta, 0.9 MJ/m2

10 µm

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

W合金材、W被覆材に対する照射（３） VPS-W（低放射化材料F82H基板）
10 plasma pulses of ~0.3 and 0.9 MJ/m2
サイズ:10 mm x 10 mm x 1 mm
鏡面研磨なしサンプルベース温度：室温(a) Unexposed
10 µm
表面形状の変化なし（~0.3 MJ/m2）
表面溶融と再凝固層でのクラック形成（~0.9 MJ/m2）
熱伝導率がバルクWに対して低いため、表面温度上昇が大きいと考えられる。

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(b) 0.3 MJ/m2

10 µm(c) 0.9 MJ/m2

10 µm

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

まとめ
磁化プラズマガン装置を開発し、エネルギー密度~2 MJ/m2（パルス幅0.2~0.6 ms）のパルスプラズマを生成、材料照射した。
（１）定常プラズマ予照射Wに対する照射
Fuzz W

DブリスターW

質量損失~ 14% lost無し

クラック無し有り

アーク発生有り無し（２）W合金、W被覆材に対する照射ITER-grade W

W-Ta(2wt%)

VPS-W~0.9 MJ/m2にて表面溶融、再凝固時にクラック形成
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W被覆の基板からの剥離は確認されない。
クラック形成閾値（10ショット）< 0.3 MJ/m2~ 0.7 MJ/m2

ダイバータおよびPWI合同研究会，2012年7月23-24日，筑波大学

今後の研究計画
ダブルプラズマガン装置＠兵庫県立大学
Vapor shield効果を検証する実験
E inj

TargetPlasmoid 2 Plasmoid 1tdelayt
Capacitor bank
(Max:10 kV, 2.9 mF, 144 kJ)

High-speed camera
IDS

Bias field coilGas puffvalves

GND+-

IgnitronTargetPre-heating
Ceramic
insulator

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
Outer electrode
Inner electrode

TMP