2018.07.20
九大・応用力学研究所2F大会議室
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

QUEST10周年記念研究会(第15回QUEST研究会)

QUESTのプラズマ対向材に対するトリチウム保持挙動のBIXS法による追跡

富山大学・研究推進機構
水素同位体科学研究センター
松山 政夫
1

発 表 内 容
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)[１] 研究の背景[２] トリチウム保持量の評価方法：
b-ray Induced X-ray Spectrometry (BIXS法)(1) β線誘起Ｘ線スペクトルの概要(2) BIXS法の特長・適用例(3) 数値シミュレーションによるスペクトルの再現(4) スペクトル解析からトリチウム深さ分布の推定[３] プラズマ曝露・未曝露試料におけるトリチウム保持挙動：(1) 低温及び高温条件で加熱排気・トリチウム曝露(2) 保持挙動に対する加熱排気温度の影響(3) 加熱排気に伴う表面の化学的状態の変化(4) トリチウム曝露温度の影響(5) 加熱排気後の空気曝露の影響(6) ガス曝露とイオン照射の差[４] まとめ2

背景Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

第一壁やダイバーター等のプラズマ対向材料に対するトリチウ
ムの捕獲、溶解及び放出挙動に関する理解は以下の点に対して重要な役割を果たす:－ 燃料のリサイクリングや粒子バランスの制御－ 第一壁等におけるトリチウム透過の低減－プラズマ対向材のトリチウムインベントリーの低減－ 炉材料の除染及び廃棄物管理

材料のバルクでの保持のみならずプラズマ粒子に対向する表面層での保持挙動が重要である
材料の表面層におけるトリチウムの捕獲挙動をQUESTの構造材であるステンレス鋼(SS316L)をモデル材料として用いて調べた。
3

トリチウムの吸着・溶解の深さ分布測定法[トリチウムの吸着・溶解材料][測定法に対する要求事項]
b-

b-

b-

b-

b-

b-

b-

特性・制動X線[各種測定法]bb-b-( : トリチウム)① 表面層のトリチウム量の評価② 内部のトリチウム量の評価③ 表面層と内部を弁別評価④ トリチウム深さ分布の評価⑤ 非破壊で測定

dβ線の脱出深さ： d (表面層と定義)(SS316: 220 nm)(W: 80 nm) (Graphite: 0.5 mm)(空気: ～5 mm), (皮膚: ～6 mm)(T)(1) 表面拭き取り法（スミア法）(2) 放射線（b線）計測法：表面層のみ(3) 化学エッチング法(4) β線誘起Ｘ線計測法：BIXS法(H, D)(5) 物理エッチング法: GD-OES法等(6) 核反応法(7) 反跳粒子検出法

4

トリチウム原子の崩壊によって放出されるβ- 粒子のエネルギー分布

Source: Tritium
3
H --->3He + e- + - + Q
Maximum Energy: 18.59 keV
Average Energy: 5.70 keV
Max Intensity: 2.50 keV

Normalized intensity, N / -

1.0

0.8

0.6

0.4

β- 線： 連続スペクトル(0～18.59 keV)

0.2

0.0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Energy of b-particles, E / keV

トリチウムのβ線スペクトル5β線誘起Ｘ線計測法 (b-ray-Induced X-ray Spectrometry: BIXS)[トリチウムの吸着・溶解材料]

特性・制動X線

Ar雰囲気
b-

Ar(Ka, b)b-

Ar(Ka, b)
Ar(Ka, b)bb-

特性・制動X線

Ar(Ka, b)
Ar(Ka, b)b-

特性・制動X線

β線をＸ線に転換し、Ｘ線
強度・スペクトルを測定

BIXS法：☞ 表面（層）に保持されているトリチウム量をAr(Ka,b)線の強度として評価が可能☞ 内部に捕獲されているトリチウムの濃度分布を制動Ｘ線スペクトルから評価が可能☞ 表面と内部の弁別評価が可能、また材料の構成元素の分析も可能

6

計測装置の構成
遮蔽体

Ar等の希ガス雰囲気
Be箔
試料支持体

Ge又はSi(Li)素子
Ｔ-吸着・溶解試料

半導体X線検出器

β線誘起Ｘ線計測装置の概略図
特長：
・測定装置の構成が極めて単純かつ装置の維持が容易
・装置の耐久性が高く、性能に対する経時変化が殆どない
7

Example of the Observed X-ray Spectra for
Tritium-Exposed Stainless Steel (SS 316L) Samples
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)[Collaboration with JET]
Ar(Ka)Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

120

Sample: SS 316L

100

Conditions of
Tritium Exposure:80

Temp.: 770 K
Conc.: 50 at.%Pressure: 50 kPa
Time: 8 hr

Fe(Ka)

60

Cr(Ka)
40

Mn(Ka)Mo(La)
20+

Cr(Kb)

Fe(Kb )

Si(Ka)

Ni(Ka)

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

Example of X-ray spectrum induced by b-rays emitted
from the surface and bulk of SS316L sample.

[1. Measuring Device]
Si(Ka)=1.74 keV[2. Working Gas]
Ar(Ka)=2.96 keV
Ar(Kb)=3.19[3. SS316L Sample]
Mo(La)=2.29 keV
Cr(Ka)=5.41
Mn(Ka)=5.90
Cr(Kb)=5.95
Fe(Ka)=6.40
Fe(Kb)=7.06
Ni(Ka)=7.48
Ni(Kb)=8.26

Both of bremsstrahlung and characteristic X-ray peaks appears in the8
spectrum.

Application of BIXS to Measurements of Ad- andAbsorbed Tritium
Configuration of divertor tiles(Mk IIA)
and the measuring spots

Poloidal distribution of tritium insurface layers (<1mm)
Right
Center
Left

Counting rate, N / counts s

-1

35
30
25

IN1

IN2

IN3

BN4

BN5

BN6

BN7

ON8

ON9

ON10

: Right: Center: Left

20
15
10
5
0

Measuring spot

Inner Divertor Tiles

HZ-DTE1/1IN1
HZ-DTE1/1IN2
HZ-DTE1/1IN3

Outer Divertor Tiles

9
Base Divertor Tiles
HZ-DTE1/1BN4
HZ-DTE1/1BN5
HZ-DTE1/1BN6
HZ-DTE1/1BN7

HZ-DTE1/1ON8
HZ-DTE1/1ON9
HZ-DTE1/1ON10

Change in the intensity of Ar(Ka) X-rays withthe measuring spots (89 spots)

Distribution of tritium retained in surface
layers of the JET divertor tiles was
examined by BIXS, where a complete
set of poloidal tiles was employed.
9Simulation Procedures of the Observed X-ray Spectra (1/3)

N(E)={a[1-exp(-a)]} Pe(tot) Ee(tot) (Emax-Ee)2 --(1)anda=(4p/137C)[ Ee(tot)/ Pe(tot)],---(2)

Emax : maximum energy of b-rays,
C : speed of lightPe(tot) : total momentum
Ee(tot) : total energy of an electron.
Ee : kinetic energy
Ee(tot)= E(rest) + Ee
andPe(tot)=[( Ee)2 + 2E(rest) Ee]0.5/C

1.0

1.0

0.8

0.8

0.6

0.6

0.4

0.4

0.2

0.2

0.0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Fraction of b-particles, F / -The energy distribution of b-particles, N(E),emitting from tritium nuclei can be approximatedby the following equations:dN/dE(Normalized at 2.5 keV)

1. b-Ray Spectrum of Tritium

0.0

Energy of b-particles, E / keV---(3)---(4)

b-ray spectrum of tritium andfraction of b-particles

10Simulation Procedures of the Observed X-ray Spectra (2/3)
2. Conversion of b-Rays to Bremsstrahlung
X-RaysOn the assumption that the Wyard's equation is valid
for tritium b-rays having successive energy
distribution, the bremsstrahlung X-ray spectrum canbe given by the following equation:

N(k)/dk=(w/1.25)[4(1-k/Ee) + 3(k/Ee)ln(k/Ee)]/k, -(5)k (k<Ee) : energy of bremsstrahlung X-rays
w : radiation yield

Intensity of bremsstrahlung, I / arb. units

15

10

5

0
0

w=Z Ee(ZEe +800),---(6)
Z : atomic number of a material containing
tritium

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

Bremsstrahlung X-ray spectrum
emitted from an unit thickness.

11

Simulation Procedures of the Observed X-ray Spectra (3/3)

Attenuation of the intensity of brems-strahlung
X-rays generated in a given
depth of tritiated water can be basically
expressed by the following equation:
I(k)=Io(k)exp[-m(k)dj],---(7)

1.2

Intensity of X-rays, I / arb. units

3. Attenuation of Bremsstrahlung
X-Rays in the Tritiated Material

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

Io(k) : intensity of bremsstrahlung X-rays
converted at a given depth intritiated waterI(k) : intensity of bremsstrahlung X-rays
emitted from the surface of tritiatedmateialm(k) : mass absorption coefficient depending
on photon energy (m(k) =4406.8k-2.8997)
dj : traveling distance measured from thesurface

Final bremsstrahlung X-ray spectrum
The discontinuity appeared around 12 keV.
This is due to unclear mass absorption
coefficients in the vicinity of the absorption
edges (LII and LIII) of gold.
(Range of b-rays in tritiated water : 0.6 mm)

12トリチウム濃度分布とX線のスペクトル形状との関連性
ーSS316Lに対する 数値シミュレーションの例 ー
1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0
10

15

20

0

5

10

Depth, d / mm

: DP1

20

10

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / kev

2
Cr

Fe

0
0

2

4

6

8

10

12

Energy of X-rays, E / kev

14

16

18

Intensity of X-rays, I / arb. units

4

0.4

0.2

0.0

20

0

5

10

Ar

6

Fe

4

: DP2

10

0

Cr

2

20

Cr(Ka)=0.64
Fe(Ka)

20

015Depth, d / mm

Cr(Ka)=0.60
Fe(Ka)
Intensity of X-rays, I / arb. units

Intensity of X-rays, I / arb. units

Intensity of X-rays, I / arb. units

Ar

0.6

Depth, d / mm

Cr(Ka)=0.55
Fe(Ka)
6

15

0.8

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / kev

2

Ni

Fe

Ar

6

Intensity of X-rays, I / arb. units

5

Intensity of X-rays, I / arb. units

0

: DP3

1.0

: DP2

Normalized tritium concentration
C / arb. units

: DP1

1.0

Normalized tritium concentration
C / arb. units

Normalized tritium concentration
C / arb. units

Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

Cr

4

: DP3

20

10

0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / kev

2

Ni

0

0
0

2

4

6

8

10

12

Energy of X-rays, E / kev

14

16

18

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / kev

深さ分布の変化に伴い制動X線スペクトルの形状およびCr(Ka)/Fe(Ka)の比率が変化！ 13数値シミュレーションによる観測スペクトルの解析
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

1.0

Sample: SS 316L

100

Relative tritium conc. CT / -Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

120: Observation: Simulation

80

60

40

20

0
0

2

4

6

8

10

Energy of X-rays, E / keVComparison of the observed spectrum withthe simulated one.

12

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0
0

10

20

30

40

50

60

70

Depth from the surface, d / mm

Tritium depth profile assumed to reproduce
the observed X-ray spectrum

所定のトリチウム深さ分布に基づき計算されたＸ線スペクトルは実測スペクトルを良く再現できた。
計算に用いられた深さ分布は表面層に高濃度トリチウムの捕獲領域が存在することを示している。トリチウム分布は化学エッチング法によって確認された。

14

プラズマ曝露(QUEST)及びトリチウムガス曝露(HRC)
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

SamplePlasma-exposed part

QUEST(MH10)内に挿入された試料

プラズマ曝露後の試料

試料搬送部

トリチウム曝露部

トリチウム曝露装置（Ⅰ）：
・真空度： <10-6 Pa ・イオン照射・ガス曝露
・トリチウムガス：供給－回収機能・トリチウム濃度：D-T混合ガス(約0.5%-T)
・加熱：所定温度まで昇温可トリチウム曝露装置（Ⅱ）：
・真空度： <10-6 Pa・ガス曝露・トリチウムガス：供給－回収機能・トリチウム濃度：H-T混合ガス(約5%-T)
・加熱：所定温度まで昇温可

15

実

験

方

法
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)[Ⅰ] 試 料：SS316L (15x15x0.5 mm3)(1) 未曝露試料: ①, ②, ③(2) プラズマ曝露試料: ④[Ⅱ] QUESTプラズマ曝露：
２０１６年春・夏（真空雰囲気経由）[Ⅲ] 真空排気：
加熱排気温度： 393 ～ 673 K
到達真空度：<1x10-6 Pa[Ⅳ] トリチウムガス曝露(ガス曝露):
トリチウムガスの圧力：1.3 kPa
トリチウム濃度：0.5%及び5%-T[Ⅴ] トリチウム測定：BIXS法(Ar雰囲気)（実 験 手 順）

16低温条件(393 K)で真空排気・トリチウム曝露
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

プラズマ曝露試料

0.03: Obs.
0.02

0.5%-T

Ar(Ka)

0.02 cpm

0.01

0.00
0

2

4

6

8

10

12

14

Energy of X-rays, E / keV

16

18

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

Sample: QUEST Plasma Exposure
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 393 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Tritium Concentration: 0.5%-T
Measurement Time: 100 hr

0.04

プラズマ未曝露試料

0.05

0.05

Sample: Bare SS316L
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 393 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Tritium concentration: 5%-T
Pre-heating temp. : 393 K
Measurement Time: 100 hr

0.04

0.03
Ar(Ka,b): Obs.

0.02

0.11 cpm

5%-T

0.01
Fe(Ka)

0.00
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

低温条件で加熱排気・トリチウム曝露した時に観測されたX線スペクトル（加熱排気：393 K、トリチウム曝露： 393 K）
・プラズマ曝露試料： 122 MBq/m2、 プラズマ未曝露試料： 66.9 MBq/m2・プラズマ曝露試料の保持量は未曝露試料の２倍程度： 表面積の影響（？）
・制動Ｘ線強度が極めて弱い： 材料内部への溶解は殆どない。

17高温条件で真空排気・トリチウム曝露
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

プラズマ曝露試料
Sample: QUEST Plasma Exposure
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 623 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Tritium concentration: 5%-T
Measurement Time: 60 hr

Ar(Ka, b)

4.0

3.0

5%-T

23.3 cpm

2.0

Fe(Ka)

1.0

14.2 GBq/m2

Cr(Ka)
Ni(Ka)

0.0
0

2

4

6

8

10

12

14

Energy of X-rays, E / keV

Cr(Ka)=0.56
Fe(Ka)

16

18

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

プラズマ未曝露試料

5.0

5.0

3.0

Sample: Bare SS316L
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 623 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Tritium concentration: 5%-T
Pre-heating temp. : 673 K
Measurement Time: 50 hr

2.0: Obs.
5%-T

4.0

4.40 cpm
Ar(Ka,b)1.0

Cr(Ka)

2.67 GBq/m2

Fe(Ka)

0.0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

高温条件で加熱排気・トリチウム曝露（加熱排気：673 K、トリチウム曝露： 623 K）

・プラズマ曝露試料
Ar(Ka)の強度： ５倍以上
新たな特性X線ピークの出現：Cr(Ka,b), Fe(Ka,b)Cr(Ka)/Fe(Ka) ： プラズマ曝露試料 < 未曝露試料
・表面トリチウム濃度は高いが、深さ分布は浅い。

Cr(Ka)=0.65
Fe(Ka)

18

トリチウム保持に対する加熱処理温度の影響
ー 加熱排気とトリチウム曝露温度が同じ ーHydrogen Isotope Research Center (HRC)

Peak intensity of X-rays, I / counts min-1

プラズマ曝露試料
10Sample: Plasma-exposed SS316L

・加熱排気・ガス曝露温度の上昇により保持量が増加:Ar(Ka,b):Cr(Ka):Fe(Ka):Ni(Ka)8・ 573 K付近を境にして表面層及び内部のトリチウム量が急
激に増大

6

4

・ 保持量の増加： 加熱排気温
度とガス曝露温度の何れか？

2

0
300

400

500

600

700

Temperature of heating and tritium exposure, T / K（試料：２０１６年春・夏プラズマ実験に曝露）19

プラズマ未曝露試料でのトリチウム保持量変化
ー加熱排気温度を変化、ガス曝露温度を固定(393 K)ーHydrogen Isotope Research Center (HRC)

0.20

0.15

0.10

393 K加熱排気
393 K T-曝露Fe(Ka)trace

0.05

Ar(Ka,b)

0.00
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

ガス曝露温度が同じ！
0.20

-1

Counting rate, N / counts min (E)

-1

Sample: Bare SS316L
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 393 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Pre-heating temp. : 673 K
Measurement Time: 48 hr

0.15

Fe(Ka)Ar(Ka,b)0.10

Cr(Ka)

673 K加熱排気
393 K T-曝露

0.05

0.00
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

Sample: non-exposed SS316L

トリチウムガス曝露温度: 393 K
Intensity of Ar(Ka, b) X-rays, I / counts min-1-1

Counting rate, N / counts min (E)

-1

Sample: Bare SS316L
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 393 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Pre-heating temp. : 393 K
Measurement Time: 100 hr

1.0

Tritium exposure temperature: 393 K

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0
400

500

600

700

Heating temperature, T / K

１．トリチウム保持量はガス曝露温度が同じでも加熱排気温度に左右される。

２．623 Kでの加熱排気により保持量が急激に増加した。即ち、吸着・吸収に関わる活性サイトの出現を示唆している。
20

XPSによるSS316L試料の表面分析-加熱排気に伴う表面状態の変化（60s スパッタリング後）-60秒のスパッタリング(数 nmのスパッタリング)後の表面状態は大きく変化、☞ Cr: 573 Kで金属状態のCrが出現し始めた、☞ Fe: 室温で金属状態のFeが認められ、573 Kでほぼ還元、☞ Ni: 室温で金属状のNiが観測される21

プラズマ未曝露試料でのトリチウム保持量変化
ー加熱排気温度固定(673 K)、ガス曝露温度を変化ー
Sample: Bare SS316L
Vacuum heating: 673 K( : heated at 393 K in vacuo)
42

6.1 times

10-5
100

10-6

: Ar(Ka,b) X-ray intensity: Reference Data of Solubility

0
400

500

600

Exposure temperature of tritium gas, T / K

Degassing temperature: 673 K
トリチウム保持量はガス曝露温度の上昇とともに増加し、不連続性は観測されなかった。

393 Kでの保持量の不一致：
加熱排気時の温度の相違による影響

1.5

2.0

2.5

Intensity of Ar(Ka,b) X-rays, I / counts min-1

101

6

Solubility of tritium in SS316L
S / at. fr. Pa-1/2

Intensity of Ar(Ka,b) X-rays, I / counts min-1

Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

10-1
3.0

Reciprocal temp., T -1 / 1000 K-1

Solubility of tritium in SS316L:
S [at.fr.Pa1/2] =5.8x10-6 p1/2 exp(-13.1 [kJ/mol]/RT)(Ref.) F. Reiter, K.S. Forcey, and G. Gervasini, “A COMPILATION OF
TRITIUM-MATERIAL INTERACTION PARAMETERS IN FUSION
REACTOR MATERIALS”, EUR 15217 EN, (1993)

トリチウム保持量の温度依存性は
溶解度の温度依存性と同様の傾向。
22

バフ研磨後の熱処理・大気曝露の影響
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

0.20

A

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

0.15

バフ研磨試料(SS316L)

B

0.10
0.05

Evacua. temp.: 393 K
T-exposed temp.: 393 K

Ar(Ka,b)0.00

Pre-treatments:
Air exposure after
annealed at 673 Kin vacuo.
Evacua. temp.: 393 K
T-exposed temp.: 393 K

0.10
Fe(Ka)
Cr(Ka)

0.05

C ・ AとCの差?

加熱排気673 K×4 hr

活性化
表面吸着
内部拡散

大気曝露
(室温)

・ AとBの差?
高温排気
大気曝露
不活性化

B

Ar(Ka,b)

0.15

A

0.00
0.15

Ar(Ka,b)C

Cr(Ka)

加熱排気 393 K 673 K

高温加熱排気Fe(Ka)

0.10

Evacua. temp.: 673 K
T-exposed temp.: 393 K

0.05

トリチウムガス曝露(393 K)

表面の活性化
保持量の増大

0.00
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

23

計算機シミュレーションにより推定されたトリチウム深さ分布
ー ガス曝露温度： 623 K ープラズマ曝露試料

4.0

3.0: Obs.

2.0

Fe(Ka)

1.0

Cr(Ka)

Sample: Plasma-exposed SS316L

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0
0

Ni(Ka)

50

150

200

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0.8

0.6

: Obs.

Fe(Ka)

0.4

Cr(Ka)

0.2

Relative tritium concentration, C / -Ar(Ka,b)Sample: Bare SS316L

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0
0

50

100

150

200

Depth, d / mm

0

2

4

6

8

10

12

14

Energy of X-rays, E / keV

16

18

0.8

Depth profile used for analysis of the X-ray spectrum observed for
non-exposed sample.

2.67 GBq/m2

Sample: QUEST Plasma Exposure
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 623 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Measurement Time: 60 hr

Fe(Ka)

0.6

Cr(Ka)

0.4: Obs.
0.2: Calc.

Ni(Ka)

0.0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

末曝露試料(2016.06.16)

Sample: Bare SS316L
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 623 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Pre-heating temp. : 673 K
Measurement Time: 50 hr

Ar(Ka, b)

14.2 GBq/m2

SS316L中でのβ線の脱出深さ= 0.22 mm (5.7 keV)
1.0

(2016.09.06)

1.0

Depth profile used for analysis of the x-ray spectrum observed forplasma-exposed sample.

Energy of X-rays, E / keV

0.0

250

Depth, d / mm

0.0Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

100

250

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

Sample: QUEST Plasma Exposure
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 623 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Measurement Time: 60 hr

Ar(Ka, b)

Relative tritium concentration, C / -Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

5.0

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

Hydrogen Isotope Research Center (HRC)(2016.09.06)

1.0

Sample: Bare SS316L
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 623 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Pre-heating temp. : 673 K
Measurement Time: 50 hr

Ar(Ka,b)0.8

0.6
Fe(Ka)

0.4
Cr(Ka): Obs.
0.2

0.0: Calc.

0

2

4

6

8

10

12

14

Energy of X-rays, E / keV

16

18

24

ガス曝露とイオン照射の相違
ガス曝露(393 K)

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

0.10(2016.04.25)

Sample: Bare SS316L
Tritium Exposure Conditions:
Exposure temperature: 393 K
Pressure of tritium gas: 1.3 kPa
Exposure time: 4 hr
Pre-heating temp. : 393 K
Measurement Time: 100 hr

0.08

0.06

: Obs.
0.04

Fe(Ka)
trace

Ar(Ka,b)0.11 cpm

0.02

5%-T

Counting rate, N / counts min-1 (E)-1

Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

6.69x101 MBq/m2

0.06

0

2

4

6

8

10

12

14

Energy of X-rays, E / keV

16

18

Ar(Ka,b)0.167 cpm

0.04

: Obs.

Cr(Ka)
0.047 cpm

0.5%-T

Fe(Ka)
0.057 cpm

0.02

0

2

4

(2016.08.26)

Sample: Bare SS316L
Tritium Irradiation Conditions:
Irradiation temperature: 393 K
Ion energy: 0.5 kev/DT+
Irradiation time: 1 hr
Fluence of DT ions: 3.54x1020 m-2Pre-heating temp. : 393 K
Measurement Time: 20 hr

0.08

0.00

0.00

イオン照射(393 K)

0.10

6

8

10

1.16x104 MBq/m2
12

14

16

18

Energy of X-rays, E / keV

・１時間照射試料でもガス曝露に比べ約１７０倍の表面トリチウム濃度が観測された。
・照射試料でも制動Ｘ線ピークの強度は極めて小さく、殆どのトリチウムが表面層近くに保持されていることを示している。
・照射試料ではCr(Ka)及びFe(Ka)ピークが明瞭に観測され、Cr(Ka)/Fe(Ka)=0.82であり、表面層のCr濃度はバルクより大きくなっていることを示唆している。

25

ま

と

め
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)(1) QUESTプラズマ曝露及び未曝露のステンレス鋼(SS316L)試料にトリチウム
ガスを種々の条件で曝露し、トリチウムの保持挙動をBIXS法により調べた。

(2)プラズマ曝露によりガス曝露温度に関係なく未曝露試料よりもトリチウ
ム保持量が大きく増大した。この原因の一つとして堆積層の形成による表面積の増大が考えられる。また、保持量はガス曝露前の試料の加熱排気温度に強く依存し、573 K以上での加熱排気により大きく増大した。
(3)高温での加熱排気は、表面不純物が除去されてトリチウムの解離吸着
サイの形成、即ち、吸着・吸収に対する表面の活性化を生じ、表面層への吸着・吸収のみならず内部溶解も生じ、保持量の増大をもたらしたと考えられる。
(4)但し、ガス曝露前に高温で加熱排気しても一旦大気に晒されるとその後の加熱排気条件が同じでも表面状態の変化により内部溶解は大きく阻害された。
(5)観測されたＸ線スペクトルの数値シミュレーションによってトリチウム
深さ分布を解析したところ、高温でのガス曝露でも深さ分布に相違がある
ことが示唆された。
26

Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

ご清聴ありがとうございました

27

背

景（1/2）
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

J. Roth et al., Plasma Phys Control Fusion, 50(2008)103001(Implantation)(D+ or T+)(Trapping)(Reflection)(Recombination)(Diffusion)(Implantation)(Lattice Atoms)

Drawing of the various ion-PFM’s interactions.

Tritium inventory in ITER plasma-facing materials andtritium removal procedures.

核融合炉におけるトリチウム－材料相互作用に関する研究は以下の観点より不可欠である。
（１）核融合炉の定常運転、（２）トリチウムインベントリーの低減、（３）核融合炉における廃棄物の安全管理など。

Penetration power of X-rays induced by b-rays is remarkably
higher than that of original b-rays !

4Application of BIXS to Evaluation of Tritium
Retained on/in Materials
Hydrogen Isotope Research Center (HRC)

NT (Surface)<<NT (Bulk)

NT (Surface)>>NT (Bulk)
500 mm1.2x106 Bq/cm 2

Surface

4.4x103 Bq/cm 2(Bulk)(Bulk)( ～ 0 Bq )(1.06x108 Bq)(Sample 1)(Sample 2)

Sample 1: most of tritium is retained on a sub-surface layer.
Sample 2: surface activity of tritium is low, but uniformly distributes in the bulk.
Thus, surface activity of sample 1 is much higher than that of sample 2, but the total
amount of tritium in sample 1 is much lower than that of sample 2.
If we have measured these samples by using a conventional b-ray detection method,
we may misunderstand about safety of tritium.
Escape depth of b-rays is very short in a solid material, whereas penetration depthof X-rays induced by b-rays is about 1000 times longer than that of b-rays.
Thus, utilization of X-rays is advantage for evaluation of tritium retention in a subsurface layer and/or bulk.

7

X線スペクトルの強度と形状に対するトリチウム濃度分布の影響
ー 高濃度・表面偏析の場合 ーHydrogen Isotope Research Center (HRC)

N T (Surface) << N T (Bulk)

N T (Surface) >> N T (Bulk)
Surface

1.2x10 6Bq/cm 2(Bulk)( ~ 0 Bq )(1.06x10 8Bq)

(Sample 1)(Sample 2)(Bulk)

50

Ar

X-ray intensities depend on(1) amount of tritium(2) depth profile of tritium

40<<X線スペクトルの特徴>>
・主としてトリチウムが表面層(<1 mm)にのみ存在する場合には、アルゴンの特性
X線が強く、制動X線は弱い。

-1

(E)

-1

Characteristic x-rays

Counting rate, N / counts min

4.4x10 3Bq/cm 230

20・アルゴンの特性X線ピークAr(Ka)強度は表面層のトリチウム量に比例する。

10
Bremsstrahlung x-rays

0

0

2

4

6
8
10
Energy, E / keV

12

14

DT+/黒鉛試料で観測された
X線スペクトル・制動X線スペクトルの形状はトリチウムの深さ分布に依存する。
・合金材料の場合には複数の特性X線
ピークも観測される。

X線スペクトルの形状と強度に対するトリチウム濃度分布の影響
ー 低濃度・均一分布の場合：炭素系材料 ーHydrogen Isotope Research Center (HRC)

N T (Surface) << N T (Bulk)

N T (Surface) >> N T (Bulk)
Surface

1.2x10 6Bq/cm 2(Bulk)( ~ 0 Bq )(1.06x10 8Bq)

(Sample 1)(Sample 2)(Bulk)

50

Ar

1.2

Ar

Characteristic x-rays
1.0

-1

40

Counting rate, N / counts (min) (E)

-1

X-ray intensities depend on(1) amount of tritium(2) depth profile of tritium

-1

(E)

-1

Characteristic x-rays

Counting rate, N / counts min

4.4x10 3Bq/cm 230

20

Sample: Graphite

10
Bremsstrahlung x-rays

0

0.8

0.6

0.2

Bremsstrahlung x-rays
0.0

0

2

4

6
8
10
Energy, E / keV

12

14

Sample: PMMA

0.4

0

2

4

6

8

10

12

14

Energy, E / keV・トリチウム深さ分布の違いがX線スペクトルに明確に現われる。
トリチウム深さ分布の評価にも応用可能

β- 線との相互作用によって放出される特性Ｘ線の例
特性Ｘ線の例
Source: Tritium
3
H --->3He + e- + - + Q
Maximum Energy: 18.59 keV
Average Energy: 5.70 keV
Max Intensity: 2.50 keV

Normalized intensity, N / -

1.0

0.8

0.6

W

0.4

Ar
Ti

0.2

Cr

Fe

Ni

W

0.0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Energy of b-particles, E / keV

β線スペクトルと各種元素の特性Ｘ線エネルギー

W(Ma):
1.77 keV
Ar(Ka, b):
2.96, 3.19 keV
Ti(Ka, b):
4.51, 4.93 keV
Cr(Ka, b):
5.41, 5.95 keV
Fe(Ka,b):6.40, 7.06 keV
Ni(Ka,b)7.48, 8.26 keV
Cu(Ka,b)8.05, 8.91 keV
20 W(La):
8.40 keVステンレス鋼の主成分に対するＸ線の吸収端及び質量吸収係数のエネルギー依存性
吸収端：Cr(K-Abs. Edge): 5.9888 keV
Cr(Lb3,4): 0.654 keV

Mass absorption coefficient, m m / cm2 g-1

104

Fe(K-Abs. Edge): 7.1112 keV
Fe(Lb3,4): 0.792 keV: Ni

Ni(K-Abs. Edge): 8.3316 keV
Ni(Lb3,4): 0.941keV

103

質量吸収係数のエネルギー依存性mm (Cr) = 9579 E -2.76143( 1.00 <E < 5.99 keV)

: Cr
102

mm (Fe) = 13885 E -2.8293

: Fe
101

( 1.00 <E < 7.11 keV)

mm (Ni) = 14616 E -2.71803
1

2

3

4

5 6 7 8 910
10Energy of X-rays, E / keV

20( 1.00 <E < 8.33 keV)

XPSによるSS316L試料の表面分析- 加熱排気に伴う表面状態の変化 -加熱排気の温度上昇と共に、☞ Cr: 673 Kで金属状態のCrが出現、☞ Fe: 573 Kで金属状態のFeが出現し始め、673 Kで完全に還元、☞ Ni: 室温の状態で金属状のNiが観測され、温度上昇に伴って金属的性質が一旦消失