ダイバータシミュレータ研究の今後の展開

大野哲靖
名古屋大学工学研究科
エネルギー理工学専攻

ダイバータシミュレータ研究
周辺プラズマは開いた磁力線構造を有する→直線型装置を用いたダイバータ模擬研究
直線型ダイバータ模擬試験装置- 定常で高密度プラズマの生成が可能- プラズマパラメータの制御性が高い- 計測器の配置が容易- 単純な幾何学的配位
QED, PISCES-A (B), PDS, TPD-I (II) , PSI-2, LENTA, ULS, MAPII, TPD SHEET-IV, Magnum-PSI, ASEDAS, ....., GAMMA10

NAGDIS-I → NAGDIS-II → NAGDIS-T，PS-DIBA
装置の特徴を明確にすることが重要ダイバータシミュレータ研究の課題
次期核融合装置(ITER, JT-60SA）や原型炉への寄与の明確化
ダイバータプラズマ環境の模擬
適切な課題抽出
学術的研究成果-普遍化、データベース（予測性能を有する）
名古屋大学での取り組み
Ｗ損傷過程，非接触プラズマ物理（原子分子），アーキング，
非線形シースダイナミクス，ダスト形成･輸送，周辺プラズマ輸送
新しい研究基盤の構築
プラズモイドー定常高熱流プラズマ複合照射装置の開発- ELM熱負荷の模擬
高熱流プラズマ照射-イオンビーム解析複合装置の開発- 水素同位体リテンション量のその場計測

先進プラズマ-壁相互作用(PWI)研究
表面損傷■静的PWI研究
プラズマ照射材料選定

１年、１日、１ショット後ダストの堆積
電子顕微鏡等プラズマ照射時の吸蔵過程？？
物理機構？？

材料観察■動的PWI研究(動的状況下で実証⇒物理機構の解明)

量子ビーム技術を用いたその場計測(表面構造、リテンション計測)
本研究では、ダイバータ模擬試験研究で開発された高熱流直流プラズマ源とバンデグラフ加速器を用いたイオンビーム解析装置を結合した装置を開発#材料を非破壊のまま解析可能#様々な計測手法
・ラザフォード後方散乱法(RBS)：試料の分析
・核反応分析法(NRA)：重水素計測・反跳粒子検出法(ERD)：軽水素計測

水素同位体リテンションに関する様々な現象
プラズマ照射開始■動的リテンション(dynamic retention)⇒プラズマ照射中又は直後において材料中を可動する粒子粒子の供給(プラズマ照射等)が絶たれると材料中から放出▼核融合発電実現において重要な研究
・核融合発電時、燃料補給の最適タイミング
・化学スパッタリングのフラックス依存性の調査(プラズマ照射中の材料表面での吸蔵量に依存)

照射中動的状況での実証例なし

プラズマ照射停止

動的リテンション≠静的リテンション■静的リテンション(static retention)⇒材料中の結晶欠陥等に捕捉され続ける粒子▼近年活発に行われている研究
・Heプラズマ照射が水素同位体吸蔵量に影響

He予照射

詳細な物理機構の解明が必要

吸蔵後のHe照射その場計測装置を開発する上で解決すべき課題
プラズマ照射環境下でのイオンビーム計測
課題①イオンビーム装置に導入可能な小型プラズマ照射装置の開発
及びダイバータ領域(電子密度~1018m-3)の模擬が可能なプラズマの実現②プラズマ照射環境下でビーム源、半導体検出器（SSD）を高真空に保ち、ビームの計測を可能にする。
①・・・小型化を行いつつ、高密度のプラズマを生成可能な六ホウ化ランタン(LaB6)製熱陰極を開発
装置概念図②・・・高真空を維持しつつ、イオンビーム分析に必要な計測粒子を通すマイラー膜を用いた差動排気の検討及びプラズマ照射中でのビーム照射量のモニタリング■その場計測装置開発によるPWI研究への展開
・水素同位体リテンションの静的・動的挙動の解明
・ダイバータ模擬環境での照射損傷が壁材料の水素同位体・リテンション量へ与える影響の解明

Plasma Surface Dynamics with Ion Beam Analysis(PS-DIBA)

Van de Graaffacceleratori) Compact and powerful plasma sourceii) Differential pumping to protect detectors and Van de Graaff acceleratoriii) Ion beam monitoring system during plasma exposure②

Novel compact and powerful dc plasma source
BGas inlet

・Zigzag-shaped LaB6 cathodes heated bydirect Joule heating.
Efficient heating (1600 K at 730 W)
・Magnetic field is inclined to two cathodesurfaces at a shallow angle.
Large effective cathode area
・Discharge gases are introduced between
the two cathodes.

Efficient usage of neutral gas for discharge

熱傾斜を抑えるために、

Steady state high-density plasma

Discharge power dependences of the electron density neand temperature Te at a center of plasma column
Detector chamber

Langmuir plobe・Density is proportional tothe discharge power.
・Electron temp. is almost
constant around 5 eV.
・Higher B-field leads tohigher density.

D2 0.5 Pa~ 4.5x1018 m-3 at 1.8 kW and 200 G

Capability of magnetic coils ~ 1.4 kGease B-field ⇒ Much higher density>1019 m-3

Differential pumping to protect detectors and Van de Graaffi) Without films⇒
differentialpumping

Ditector region ~ 10-4 Pa Plasma region ~ 1 Pa
・Detector region is sealed by mylar film to maintain highvacuum state and Al film is used to repel plasma photons.
・Protons in NRA can be detected through the films.
Pressure in beam line
is kept less than 10-3 Pa.

The plasma environment does necessitate extraii) With films

Ion beam monitoring system during plasma exposure
It is impossible to measure the ion beam current at samples during plasma exposure.
To monitor the beam current, a rotating gold plate (Au) was
installed in the beam line as a beam chopper.

0.25 [Hz]・Beam fluence [µC] at target is proportional tomonitor yield [Counts] by Au plate.
・Capable of measuring ion beam fluenceduring plasma irradiation

Time dependence of deuterium retention of isotropic graphite
sample：isotropic graphite (IG-110U)◇Ion beam
Ion beam energy：1.0 [MeV]
Ion species：3He+
Beam current：1〜10 [nA]
Measurement time：1800 [s]◇Plasma parameter
Discharge power：50 [W]
B - field：100 [G]Discharge gas ：D2
Pressure：0.48 [Pa]Irradiation time：10800 [s]

Γi :

Ts :
Ei :

Decay time・Decreased by ~20 % just after the end of plasma irradiation = 31±4 [h]⇒Dynamic retention
・Deuterium retention decreases slowly after plasma termination.

Deuterium retention of tungsten during plasma exposure
sample：ITER R&D W◇Ion beamIon beam energy：1.0 [MeV]
Ion species：3He+
Beam current：1〜10 [nA]
Measurement time：1800 [s]◇Plasma parameter
Discharge power：50, 250 [W]
B - field：100 [G]Discharge gas ：D2
Pressure：0.48 [Pa]Irradiation time：9000 [s]

Ts :
Ei :
Γi :

・Deuterium retention is mainly
determined by sample
temperature Ts.
・Precise control of surface temperature isrequired independently plasma condition.

Deuterium retention of tungsten after plasma termination
Decay time = 4.0±0.8 [h]ITER R&D W• Decay time of deuterium
retention of ITER R&D W ismuch shorter than that ofisotropic graphite (IG-110U).
• Need to care about
post-measurement of
deuterium retention of W.
Preliminary result for powder
metallurgy W (PM-W)

・Decay time could be different dependingon manufacturing methods for W.

Decay time = 40 [h]まとめと今後の課題
まとめ動的リテンション分析の可能な、高熱流プラズマ照射装置とイオンビーム解析装置が一体となったその場計測装置の開発を行った。
•LaB6製熱陰極の小型化を行い、ダイバータ模擬の可能な高密度(~1018 m-3)定常プラズマの生成に成功した。
•半導体検出器(SSD)部とビームライン領域で異なる差動排気及び、ビーム照射量のモニタリングを行い、プラズマ放電用ガス導入時においても、イオンビーム分析ができるような高真空度を維持することが可能となった。
開発した装置を用いて、プラズマ照射中の重水素リテンションのダイナミックスを計測することに成功した。

今後の課題動的リテンション量の粒子束依存性や温度依存性
同位体置換効果（ERDの整備）