AIT-­‐PID	  における重水素プラズマの生成とそのＰＷＩ研究への応用	
（１） AIT-­‐PID	  における高熱流重水素プラズマの生成	  	  （２） 重水素プラズマ－タングステン系における熱伝達係数評価	  	  （３） 重水素プラズマ中におけるタングステンへの熱パルスの効果	  	  （４） タングステンへの重水素プラズマの重照射の準備	  髙村 秀一	  愛知工業大学工学部電気学科	
謝辞： 愛工大プラズマ研究室卒研生、大野教授（名大）	
核融合エネルギーフォーラム プラズマ物理クラスター平成25年度合同研究会	  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ー会議室

Magne3c	  Structure	  in	  AIT-­‐PID		  	  	  	  Usually	  a	  strong	  magne+c	  ﬁeld	  more	  than	  roughly	  0.1T	  has	  been	  employed	  in	  linear	  plasma	  devices	  for	  the	  radial	  conﬁnement	  of	  produced	  plasma.	  	  The	  consumed	  electric	  power	  for	  energizing	  the	  magne3c	  coils	  is	  some3mes	  very	  large.	  	  	  	  	  	  Not	  only	  a	  contribu3on	  to	  power	  saving	  compactness,	  but	  also	  a	  favorable	  eﬀect	  on	  the	  maintenance	  of	  directly	  heated	  LaB6	  ceramic	  cathode	  have	  been	  obtained	  by	  a	  very	  weak	  Lorentz	  stress	  on	  LaB6	  solenoid.	
Addi3onal	  Weak	  Axial	  Magne3c	  Field	

Characteriza3on	  of	  AIT-­‐PID	  Plasmas	

Hot	  Electrons	
▪ AIT-­‐PID	  contains	  hot	  electron	  component:	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  10	  %	  with	  Teh	  ~	  40	  eV,	  while	  Tec	  ~	  4	  eV.	  	  ▪ The	  energy	  distribu3on	  is	  not	  a	  complete	  Maxwellian,	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  but	  has	  a	  cut	  around	  the	  discharge	  voltage.	  	Nanostructure	  on	  Tungsten	  Surface	

物理学会誌	  ９月号 解説	

S.	  Takamura	  et	  al.:	  (1)	  Plasma	  Fusion	  Res.	  5	  (2010)	  039	  :	  Deepening	  of	  Floa3ng	  Poten3al	  (2)	  Proc.	  38th	  EPS	  Conf.	  on	  Plasma	  Phys.	  (2011)	  O1.302:	  Outstanding	  Proper3es	  (3)	  J.	  Nucl.	  Mater.	  415	  (2011)	  S100	  :	  Eﬀect	  of	  Temperature	  Excursion;	  	  J.	  Nucl.	  Mater.	  438	  (2013)	  S814	  :	  Temp.	  
Measurement	  (4)	  Plasma	  Fusion	  Res.	  6	  (2011)	  1202005;	  Plasma	  Sci.	  &	  Technol.	  15	  (2013)	  161	  :	  	  Recovery	  of	  W	  Surface	  重水素プラズマ生成	
Ｄプラズマ	  	  密度： ≥1×1018 m-3
Tec	  ：~	  3	  eV;	  	  	  	  	  	  Teh	  ：	  20	  ~30	  eV	  α	  (abundance)	  ≲ 5 %Vp ：+2 ~ +7 V

Power	  onto	  Plasma-­‐Facing	  Surface	Steady	  Power	  Flux:	  10	  ~	  20	  MW/m2	  	  Transient	  Energy	  Density:	  0.2	  ~	  2.0	  MJ/m2	  Power	  Transmission	  Factor	  	  is	  a	  key	  measure	  to	  determine	  	  the	  power	  ﬂux	  to	  the	  plasma-­‐facing	  surface	  !	
EdgePlasmaPhysics	

SheathPhysics

Material
Engineering	Present	  Status	  	  for	  Power	  Transmission	  Factor	  (PTF)	
S.	  Masuzaki	  et	  al.:	  J.	  N.	  M.	  223	  (1995)	  286	Maxwellian	  Plasmas	  Normal	  Tungsten	  W	

Calibra3on	  for	  the	  Rela3on	  between	  TW	  and	  Pinput	
Tungsten Temp.	

Electron	  Beam	  Source	Input Power	IR-­‐Thermometer	Modiﬁed	  PTF	  Analysis	  (He+	  -­‐	  W)	eQi / j + = e φP − φ W (1− RiE ) + eφi − eφ W γ Aug
Impact	  Energy	

Eﬀec3ve	  Surface	  Recombina3on	  Energy	e(φ P − φ W ) Teffe(φ P − φ W ) Teff+eQe / j = 2Tc (1 - α )χ c exp(−+) + (2Th − eφ W γ e )αχ h exp(−+)
Tc
2T c
Tcβ
2Tcβ
Bulk	  Electron	  Energy	

Eﬀec3ve	  Hot	  Electron	  Energy	Where γAug	  :	  Auger	  electron	  emission	  coef., 	γe	  	  :	  	  	  SEE	  coef.	  	  	  eφw	  :	  Work	  func3on	  of	  W.	

γ e (T h = 30eV) ≈ 0.48
γAug = 0.28	

S3ll	  we	  have	  some	  gap	  	  between	  experimentally	  obtained	  PTF	  and	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  theore3cal	  analysis	  !	  	ＤプラズマーＷ系熱伝達係数	

Ｄプラズマ中Ｗへの熱パルス	パルス電源	仕様	  	  出力電圧：７５０ Ｖ；
出力電流：１４０ Ａ	
出力パワー： １０５ ｋW		  パルス長：≤ 50ｍｓ；

周期： 1分	Ｄプラズマ熱パルスに対するＷの応答	

分光放射率	  ε	  =	  0.42	  （固定）	

E	  ~	  0.1	  MJ/m2	
Input	  Power	  ~	  15	  kW	

放射温度計（チノー IR-­‐CAS3CS）	

波長：	  0.9	  µm	  温度範囲： 600	  ~	  3000	  ℃	  応答時間： 3	  ms	  	  (95	  %)	  Wの分光放射率 e(λ,	  T)	0.9	  µm	

繊維状ナノ構造形成Wへの熱パルス照射効果	

×20,000	  	  	  	  	  	  1	  µm	×20,000	  	  	  	  	  	  1	  µm	×20,000	  	  	  	  	  	  1	  µm	

ＷへのＤプラズマ重照射 準備	
W	  Target	  (ITER	  grade)	  アライドマテリアル（株）	
Coolant	

Thermocouple	ま と め	（１） 高熱流重水素プラズマの生成	  	  （２） 重水素プラズマ－タングステン系における熱伝達係数の	  実験的評価 （Virgin	  と 黒色化 Ｗでの相違）	  	  （３） 重水素プラズマ中におけるタングステンへの熱パルスの効果：	  3000 Ｋを超える昇温。浮遊電位の低下の観測	  	  （４） タングステンへの重水素プラズマの重照射のための	  
直接冷却ターゲットホルダーの製作	
今後の予定：	  （１） 熱伝達係数の理論的評価	  （２） 熱パルスによる溶融過程の調査	  （３） 製造方法の異なるタングステンへの	  重水素プラズマの重照射効果