J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.1 (2020)２‐５研究最前線

微粒子のトリチウム蓄積測定技術の開発とJET ITER-like Wall 実験で生成されたダストへの応用
Development of Measurement Technique of Tritium Retention
in Fine Particles and Its Application to Dust in JET with ITER-like Wall
大 塚 哲 平，芦 川 直 子１），増 崎 貴１），朝 倉 伸 幸２），林巧２），
２）３）４）
谷 川 博 康 ，WIDDOWSON Anna ， RUBEL MarekOTSUKA Teppei, ASHIKAWA Naoko１）, MASUZAKI Suguru１）, ASAKURA Nobuyuki２）,
HAYASHI Takumi２）, TANIGAWA Hiroyasu２）, WIDDOWSON Anna３）and RUBEL Marek４）
近畿大学， １）核融合科学研究所，２）量子科学技術研究開発機構，３）Culham CFE，４）Royal Institute of Technolology（原稿受付：２０１
９年９月２４日）

トリチウムイメージングプレート法（TIPT）によりダスト（微粒子）のトリチウム蓄積を定量する技術を開発し，本技術を実機 JET における ITER-like Wall 1st キャンペーンで発生したダストに応用した．電子プローブマ
イクロアナライザ（EPMA）による元素分布像とTIPTによるトリチウム分布像を重ね合わせることにより，個々のダストのトリチウム取り込み挙動に及ぼす元素組成やサイズの影響を調べていくことが可能となった．
Keywords:
tritium, dust, JET ITER-like wall, imaging plate

１．はじめに

２．TIPT による微粒子のトリチウム蓄積測定
TIPT は，材料中の T から放射された !線をイメージン

炭素壁を用いた磁場閉じ込め核融合炉では，プラズマ−壁相互作用により多量の炭素ダストが発生し，炭素（C）ダグプレート（IP）の輝尽性蛍光物質に入射させ，!線の積算

ストに多量のトリチウム（T）が蓄積することが報告され入射強度を輝尽性蛍光強度に変換して定量するとともに，ている［１］．ダストに蓄積した T は，取り除くことが困難その２次元（表面）分布を可視化するものである．その空であり，炉内の T インベントリーを増加させるので，炉運間分解能は，原理的には，材料中および輝尽性蛍光物質中転の安全性に大きな影響を及ぼすと考えられる．このためのトリチウム !線（!!線）飛程に相当する数 μm であるが，国際熱核融合実験炉 ITER では，ダストの発生を抑制し，TIP 読み取り装置のレーザーの分解能の制限があるためインベントリーを小さくすることを目的として，金属壁が25 μm または 50 μm である．

用いられることになっている．金属壁には，ダイバータと図１（a）はダスト（微粒子）への TIPT 適用の概念図を示してのタングステン（W）や第一壁としてのベリリウムしている．図中，飛散しないようにダストを粘着シートや（Be）が利用される．また，壁の取り付けボルト材には鉄銅テープなどに固定したあと，IP をダストに密着させ（Fe）やニッケル（Ni）系の合金も利用される．これら金属て，ダスト表面または内部に含まれる T から放射された（合金）とプラズマとの相互作用で生じたダストの T 蓄積

!線を IP で可視化・定量化する様子を示している．図１

特性は金属の種類（組成），サイズや微細構造によって異（b）に本研究で用いたダストの模擬微粒子を示す．TIPTなると予想される．の定量性を確認するために，模擬微粒子として水素（T）吸従来の C ダストへの T 蓄積挙動の評価として，ダストの収量が 既 知 で あ る チ タ ン（Ti）の 球 状 粒 子（平 均 粒 径30 μm および 100 μm）を用いた．

総量または単位質量あたりの T 蓄積量が調べら れ てきた．しかし，個々のダスト，すなわち微粒子について，組図２（a）に粘着テープ上に分散したチタン粒子の分布状

成，サイズや微細構造と T 蓄積特性との関係を調べた例は況の光学顕微鏡写真を，（b）に同じ領域の!!線強度分布をない．本報告では，まず，トリチウムイメージングプレー示す．図中，!!線強度は赤色で最も高いことを表しておト法（TIPT）［２］をダストを模擬した微粒子に適用し，そり，黄色，緑色から青色になるにつれて指数関数的に減少の有用性を示し［３］，実際の核融合実験炉 JET で発生したしている．粒子分布と !線強度分布とは良く一致しておダストに応用した結果を紹介する［４］．

り，ダスト粒子に吸収された T が検出されていることがわかる．チタン粒子が完全な球形であり，粒子中の T 濃度がDepartment of Electric and Electronic Engineering, KINDAI University, OSAKA 577-8502, Japancorresponding author’s e-mail: teppei.otsuka@ele.kindai.ac.jp

２!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchFront Runner

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T. Otsuka et al.

細組織が多岐に渡ることも報告されている［７］．幅広いア
プローチ活動（BA）活動共同研究において，JET で採取された0.77 gのダストのうち，0.14 gが青森県六ヶ所村の国際核融合エネルギー 研 究 セ ン タ ー（IFERC）に 運 搬 さ れた．IFERC において，0.1 mg 程度のダストをインジウム（In）製のベッドに固定した後［８］，電子プローブマイクロアナライザ（EPMA）で観察した．今回，C，Fe，Ni，Be および W をそれぞれ主成分とするダストが観察された．図３にBe を主成分とする Be ダストおよび W を主成分とする Wダストの二次電子像（SEI）と元素マッピング像を示した．
図に示したように，W ダストには Be が含まれるものが観察された．なお，図中の酸素成分は取り出し後に大気成分によって Be が酸化したためであると考えられる．
EPMA による元素分布分析領域と同じ領域について，ダストに取り込まれた T から放射された !線強度分布を測定した．TIPT で得られた !!線強度分布お よ び EPMA

図１ （a）
ダスト模擬粒子への TIPT 適用の概念図および（b）
球状
Ti 微粒子．

で得られた元素分布を重ね合わせた結果が図４である．図中，!!線強度が高い（赤色や黄色）の領域には主に C ダス
トが存在することが示されている．
表１に C ダスト，Fe，Ni ダスト，Be ダストおよび Wダストの個数を数え上げ，トリチウム含有の有無について調べた結果を示す．
今回採取された試料では大多数が C ダストであり，ほとんどの T（８５％以上）が C ダストに取り込まれていることがわかった．さらに，Be および Wダストに取り込まれたトリチウムを検出することに成功した．
図４中において，C ダスト，Be ダストおよび W ダストの中心付近を横断するような線上において，元素と !!線強度とを線分析し，両者を比較したものを図５に示す．元素分布と !!線強度分布は良く一致しており，ダストに取り

図２ （a）
トリチウムを吸収させた Ti 微粒子の分布状態の光学写
真および（b）
IP 像．

込まれたトリチウムが検出されていることがわかる．!!

一定であると仮定すると，!線強度とラジオグラフィ用 T射したためである．（b）W ダストおよび（c），（d）Beダスト

濃度ラベルとの関係から得られた粒子中のT量は41±3 Bqの !!線強度（右軸）が，（a）C ダストに比べて 1/100〜1/10/粒子と求められた．これはチタン粒子に吸収させた T のであることに注意されたい．

線強度が元素分布周辺に広く検出されているのは，ダスト表面近傍の T から発せられた !線が空気中を通ってIPに入図５に示した元素線分布のピーク幅をダストのサイズ既知量から算定した値（42 Bq/粒子）と良く一致していた．
一方，粒径 30 μm の粒子では，予想よりも !線強度が１０倍程度大きかったことから，粒子が小さくなるにつれて表面積が相対的に増加することにより，内部に吸収された Tよりも表面近傍に偏在した T から放射された !線強度の影響が大きくなることがわかった．また，吸熱型水素溶解金属の微粒子（ステンレス鋼やタングステン）では，内部のT が拡散放出されてしまった後，強く表面近傍に捕獲され，取り残された T が検出されることがわかった．

３．JET-ILW ダストへの応用
ITER にさきがけて，JET において ITER-like Wall（ILW）を用いたプラズマ実験（1st キャンペーン）が行われた結果，ダストの発生は極めて少なく，炭素壁を用いていたJET（JET-C）での実験に比べて，ダスト量は 1/100 以下で図３あることがわかった［５，６］．また，ダストの種類や形状，微３Be ダストおよび W ダストの二次電子像および EPMA 像．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.1 January 2020

表１ITER-ILW ダストから採取した試料中のダスト粒子の主成分および数，トリチウム含有の有無．

ダス ト の ダス ト 粒 トリチウムを含 トリチウムを含むダ主成分
子数
むダスト粒子数 ストの割合（％）
C３２２１２４８５Fe，Ni
９３１１＜７Be
５４＜３W
１１８＜６），そして Low（!
Moderate（!
!
!
!
!""#"）とグ""#
$ ""
$ "!
ループ分けしてみると，Be ダストおよび W ダストに取り込まれた T 強度は，大部分は C ダストの #$ の Low グルー
プよりも小さいことがわかった．
図中の点線はダストの直径 !の２乗に比例する直線を表している．IP 測定ではダスト粒子の表面に吸着，または表面近傍に存在した T が T 強度に反映されやすいので，ダストサイズすなわち表面積が増加するにつれて T 強度が高くなる傾向にある．ただし，今回の試料では，EPMA 測定お
図４

よび IP 測定の分解能を 20 μm および 25 μm としたため，こIP 像と EPMA 像との重ね合わせ結果．

れより小さいダストに関する知見が得られていないことに（直径）とし，$$線強度のピーク高さをダストに取り込ま注意が必要である．これには，$$線強度分布を手がかりにれた T 強度であるとして，図４中の３０個の C ダストおよびして，微細なダストを探し出していくことが有効であると

８個の W ダスト，４個の Be ダストについて調べた結果を考えている．

図６に示す．C ダストに取り込まれた T 強度は最も高かっ

本試料では，W ダストではおしなべて T の取り込みが少た値から３桁以上にわたってばらつきがみられた．３桁にわないことが示唆されたが，Be ダストでは C ダストの #$の），たる C‐ダストの T 強度（#を，目安として High（#$）$ #"Low グループと同等かやや高い T の蓄積が観察された．ま図５

EPMA 像および IP 像中の同じにおける元素と T$線強度の線分析結果．

４

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T. Otsuka et al.

究を進めている．
今後は，JET-ILW 3rd campaign で得られた試料にも本手法を適用し，より長い期間にわたる水素同位体プラズマ実験で発生したダストのトリチウム取り込み挙動を調べるとともに，引き続きダストの組成，サイズおよび微細構造が T 取り込みにどのような影響を及ぼすのかを明らかにしていく予定である．
本研究は ITER BA 活動，科学研究費 No.26289353，および NIFS‐富山大学双方向研究 No.NIFS13KUHR023 の成果です．

参考文献
図６

［１］J. Roth et al., Plasma Phys. Control. Fusion 50, 20 (2008).
［２］T. Otsuka and T. Tanabe, Mater. Trans. 58, 1364 (2017).
［３］T. Otsuka and Y. Hatano, Phys. Scri. T167, 4 (2016).
［４］T. Otsuka et al., Nucl. Mater. Energy 17, 279 (2018).
［５］A. Baron-Wiechec et al., Nucl. Fusion 55, 113033 (2015).
［６］N. Ashikawa et al., Nucl. Mater. Energy, in press (2019).
［７］M. Rubel et al., Fusion Eng. Des. 136, Part A, 579 (2018).
［８］N. Ashikawa et al., J. Nucl. Mater. S438, S664 (2013).

ダストサイズと T 強度との関係．

た，Be ダストの標本数は極めて少ないので，本手法により知見を集積する必要がある．また，T の取り込みが大きかったダスト を ピッ ク ア ッ プ し て，透 過 型 電 子 顕微鏡（TEM）による微細構造分析を行うことも視野に入れて研５