ユニット構築会議／学術実験プラットフォーム検討会議(第15回)

26 Jul. 2021

直線型プラズマ装置TPD-IIの現状
TPD: Test Plasma by Direct current discharge[これまでの報告]
2021年6月11日 LHD physics meeting
2021年6月29日 課題 No. 19 ユニット個別会合
2021年7月9日 課題 No. 5, 28 ユニット合同会合

核融合科学研究所
林 祐貴

直線型プラズマ装置

Nucl. Fusion 49 (2009) 095005

S. Kajita et al

直線型装置

大型装置と相補的にダイバータ実験を遂行
定常プラズマの生成計測装置への近接性が良いプラズマの制御性・再現性が高い

ダイバータ物理の解明に寄与
Figure 3. SEM micrograph of the helium irradiated surface from an
oblique direction. The irradiation conditions, i.e. the incident ion
energy (50 eV), surface temperature (1400 K), and helium ion
fluence (1.1 × 1025 m−2 ), were same as those in figure 2(b).

繊維状ナノ構造のSEM画像-3]
TPD-IIB [T]plasma innthe
Tesurface[eV]temperature was
NAGDIS-I.
Thee [mPISCES-A
TPD-I
TPD-IINAGDIS-II
MAP-2
TPD-Sheet IV
PSI-2
MAGNUM-PSIGAMMA10/PDX

S. Kajita NF 2009.

・高密度 (~1020m-3)・電離進行 -> 再結合プラズマ

1600 K, and the incident ion energy and helium fluence were,−2. In fact, as shown in0.2 respectively,
1 50 eV
10and191.1 × 1027 m20figure 5, the nanostructure was also observed on molybdenum
Note that 19nanostructure was also observed
0.5 surface.
10 the10when the6temperature
was 1400 K at
the incident ion energyof 50 eV.
0.2
1 1020100.25

4. Discussion

11020

10

On the basis of the tungsten nanostructure experiments inprevious
we summarize
the initial phase of the0.02the5 section,
1019
10nanostructure formation process with a series of schematic
representations. As19
shown in figure 6(a), pinholes are0.07formed on1 the surface
10 when helium
15bubbles, whichewere
formed by helium irradiation, bisect the surface. A numerical
19bubble growth
heliumusing the kinetic Monte
0.1 simulation1of the 1020
Carlo approach well explained the hole formation Tprocesse > 100eV
[18].
Based
on
theknowledge
fromthesimulation
[18],
the21
2.5
4 102
Te ~ 10eVsize of the initially formed holes increases with the surface
temperature. When 18
the surface temperature is lower thanFigure 4. (a) Cross sectional micrograph of the nanostructure.
1.5 1000 K, such
3 holes10> 100
cannot be formed,
as shown in figure 1(b-i); (b) and (c) are enlarged SEM micrographs in the boundary region.
it seems that the lowerof the 2017.
temperature range of The helium ion energy was 50 eV, the surface temperature wasN. boundary
Ohno PPCF
nanostructure formation is determined by the fact that whether 1700 K and the helium ion fluence was 2 × 1026 m−2 .

TSOL・Divertor

TPD-II現在のTPD-II装置概要
CG: コンビネーションゲージ
PG: ピラニゲージ
IG: 電離真空系

TMP: ターボ分子ポンプ
MP: メカニカルブースターポンプ
LP: ロータリーポンプ

MP & LP
ターゲット板 (φ60mm)

陽極CGPG

TMPIG

陰極CGターゲット板中間電極~2,000~3,400

装置全長: ~3.4m

陽極-ターゲット間距離: ~2m

最大放電電流: 200A 最大磁場強度: 0.6T
真空容器: ステンレスと石英 (内径φ~200mm)
プラズマ計測装置: なし

プラズマ径: ~20mm

TPD-II復旧作業
2018

2019

~10年の稼働実績なし
復旧作業開始LHD計画共同研究「原型炉級ダイバータ模擬実験に向けたTPD型定常高密度プラズマ源の開発」代表 江角先生 (筑波大学)
動作確認 (冷却系, 真空排気系, 磁場・放電電源)
自己加熱型陰極を用いた放電試験

TPD-II

グロー放電

アーク放電

磁場強度: 0.2 T
放電電流: 5A
He 流量: 100 sccm 放電電圧: 500V
圧力: 0.3 Pa
S. Namba JAP 2000

TPD-II復旧作業
2020 傍熱型プラズマ源と中間電極の設計と開発
2021 傍熱型LaB6陰極を用いた放電試験
陰極 (LaB6)
カーボンヒーター
傍熱カバー

陽極

放電ガス

二重水冷真空容器

中間電極大面積のLaB6円盤を陰極とした傍熱型プラズマ源を採用
カーボンヒーターからの輻射(~2kW)でLaB6を加熱

中間電極を小型化し、電位分布の測定・制御が可能とした

TPD-II復旧作業
2020 傍熱型プラズマ源と中間電極の設計と開発
2021 傍熱型LaB6陰極を用いた放電試験
陰極 (LaB6)
カーボンヒーター
傍熱カバー
放電ガス

陽極

磁場強度: 0.13 T
He流量: 100 sccm
圧力: 0.1 Pa
放電電流: 20A
放電電圧: 150V

二重水冷真空容器
Upstream

中間電極
Downstream

TPD-IIでやるべきこと
パラメータを追う研究・開発
EU: 世界に先駆けたパイロット装置 -> Magnum-PSIの開発 (ne: 1021m-3、B: 2.5T)
US: 超伝導&ヘリコンプラズマのMPEX (ne: 1021m-3、B: 1.0T)
日本でも「原型炉に向けたアクションプラン(文科省)」でダイバータ級定常高密度プラ
ズマ実験装置の開発と実験の必要性が謳われている

核融合炉へ貢献できる物理実験と他分野への応用
本来、直線装置は核融合ダイバータ領域の模擬とその物理を研究するための装置

パラメータは原型炉未満の装置がほとんどだが、特徴を生かし物理を研究している※Pilot-PSI・Magnum-PSIはその特徴が高いパラメータ組み合わせ

既存の設備 + 新しい設備例) プラズマ源 + イオンビーム

別の見方

既知の現象 -> 他分野の対象

例) ファズ -> 触媒応用

既存の設備 + 新しい手法例) 大量データ + データ駆動例) 非接触プラズマ -> 遮断機

装置自身ではなく何をするかに新規性・オリジナリティを出す