パルスプラズマガン装置開発と実験の現状
菊池 祐介，永田 正義
兵庫県立大学 大学院 工学研究科 電気系工学専攻

筑波大学シンポジウム，2011年7月21日，つくばサイエンスインフォメーションセンター

発表概要
1．研究の背景2．磁化プラズマガン（兵庫県立大学）
3．材料照射実験用プラズマガン装置の開発
4．今後の研究計画

高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学

筑波大学シンポジウム，2011年7月21日，つくばサイエンスインフォメーションセンター

研究の背景−ITERダイバータにおける高熱流プラズマ模擬実験−
Type I ELMs
0.2-2 MJ/m2, 0.1-1 ms

Transient heat loads
模擬装置: 電子ビーム，レーザプラズマガン(b)

W表面におけるクラック

表面損傷:
溶融，クラック，ダスト
droplet splashing

高フラックス ~ 1024 m-2s-1
高フルーエンス ~ 1026 m-2

Steady-state heat loads
模擬装置: 電子ビーム，イオンビーム，直線型ダイバータプラズマ模擬装置
表面損傷:
溶融，ダスト
W表面構造- Heバブル,- Dブリスター,- FuzzW fuzzRef.: S. Takamura, PFR 2006., M. Baldwin, NF2008.

by QSPA
Kh-50
プラズマガンと定常プラズマ源による複合照射研究
高村研
OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，
2009年11月21日，名古屋大学

筑波大学シンポジウム，2011年7月21日，つくばサイエンスインフォメーションセンター

磁化同軸プラズマガン＠兵庫県立大学
Magnetized Coaxial Plasma Gun (MCPG)
高速電磁弁（ガスパフ）
外部電極

Capacitorbank
内部電極

Igt

Ψt

pr

バイアス磁場コイル

CTプラズマポロイダル電流とトロイダル電流を有するコンパクトトーラス（Compact Torus: CT）
プラズマが形成される。
高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学

高速（~ 300 km/s）で移送可能

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兵庫県立大学におけるMCPGを用いた
ELM様熱負荷照射実験
Present
MCPG [1]Energy density

0.7 MJ/m2

Pulse duration

0.5 msCapacitor bankenergy

24.5 kJ(7 kV, 1 mF)

Plasma speed

50 km/s

Ion energy (D+)

30 eVElectron density

1x1021 m-3

Ion flux

5x1025 m-2s-1

Particle fluence

7.5x1021 m-2

高村研[1]
Y. Kikuchi
OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，
et al., J. Nucl. Mater., in press (2011).
2009年11月21日，名古屋大学

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パルスプラズマ照射によるW表面損傷
Melting

0.7 MJ/m2 x 10 pulses

CracksCrack width ~ 0.5 µm

40 pulses

50 µm(c)2 µm(d)Mo bolts

WSUS304x1 pulse

100 µmx5 pulses

100 µmx40 pulses 100 µm

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Sample holder

Expansion of crack area with the increase of the gun pulse number W sample: Diameter 25 mm
Thickness 1.5 mm
Crack depth ~200 µm
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MCPG装置新規開発
Previous MCPG
Surface absorbed energy density~0.7MJ/m²

It has been observed that
No melting of the W surface by irradiation of a single pulsed plasma
Surface cracks of the W surface by irradiation of a single pulsed plasma
Upgraded MCPGSurface absorbed energy density~2.0MJ/m²

It is expected that
Melting of a W surface by irradiation of a single pulsed plasma
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Droplet splashing of a W surface by irradiation of a single pulsed plasma
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新規MCPG装置の特徴○ 高密度コンデンサの新規導入（0.96 mF x 3台，最大充電電圧：10 kV）○ テーパー付きドリフト管による高密度化○ 内部電極のWコーティング (200 µm) による不純物低減○ 内部電極先端材料にWを採用○ 材料照射実験用ターゲットチャンバー
Outer electrode

External bias
field coilGas puffvalves

Capacitor bank
(7 kV, 2.9 mF, 70.6 kJ)
GND+

Ignitron

89 mm

70 mm

Calorimeter
Plasmoid

W coating
300 mm

390 mm

885 mm
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TMP

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Ceramic
insulator

153 mmInner electrode

材料照射実験用ターゲットチャンバー
ICF152High-speed camera
ICF203High-speed
cameraLaser port

Gate valve

Ceramic
insulator

ICF203
Bellows
tube

ICF152 Tapered
tube

plasmoid

Calorie meter
orSample

Drift tube

Inner electrode

255

TMP

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567.5280
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Z=0新規MCPG装置（装置全体）

材料照射用ターゲットチャンバー高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学

プラズマガン本体
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新規MCPG装置（内部電極）

W
（先端部）

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筑波大学シンポジウム，2011年7月21日，つくばサイエンスインフォメーションセンターW
コーティング（200 µm）

新規MCPG装置（放電波形）#590 Vgun: 5 kV, Vbias: 0.20kV

Gun current: ~ 100 kA (at 7 kV)

Igun

Pulse length: 0.2 ~ 0.5 ms
Plasmoid speed

高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，
2009年11月21日，名古屋大学
Bz
Plasmoid speed: ~ 100 km/s

Z=252mm(ion energy for D+: ~ 100 eV)

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新規MCPG装置（線平均電子密度）

高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学

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新規MCPG装置（エネルギー密度計測）
H2 Plasma
Qab vs Ψbias
1.8 MJ/m2

・バイアス磁場によりプラズモイドの噴出が妨げられることを利用して、エネルギー密度を制御。
H2Z=300 mm
1.1 MJ/m2

0.6 MJ/m2

・バイアス磁場を印加しないと、プラズマ生成が不安定化。最適なバイアス磁場強度が存在する。

>2.0 MJ/m2

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筑波大学シンポジウム，2011年7月21日，つくばサイエンスインフォメーションセンター(7kV)

今後の実験計画
1．定常プラズマ源（NAGDIS）とプラズマガンを用いた複合プラズマ照射実験
・プラズマガン装置は兵庫県大にて製作済み。
・8月に名大に導入予定。
2．パルスプラズマ照射時のW溶融層の挙動観測実験（LHD計画共同研究）
・兵庫県大での新規プラズマガン装置にて実施。
3．定常プラズマ（PISCES）予照射Wへのパルスプラズマ照射実験
・日米協力事業：西島博士（UCSD）→姫路（7月25日〜8月5日）
・W-Fuzzのパルスプラズマ応答、リテンション等
4．ITER Wモノブロックへのパルスプラズマ照射実験
高村研OB研究会「プラズマ科学の融合と新展開」，2009年11月21日，名古屋大学

筑波大学シンポジウム，2011年7月21日，つくばサイエンスインフォメーションセンター