核融合炉におけるプラズマ対向壁材料としてのタングステンの表面特性
高村 秀一1、宮本 隆徳1 、大野哲靖2
1愛知工業大学工学部
2名古屋大学大学院工学研究科

x 100,000

100nm

Acknowledgement:
Y. Kikuchi (U. Hyogo)
D. Nishijima (UCSD)
S. Kajita
j ((Nagoyag y U.))K. Ohya (Tokuhima U.)

ナノ構造を含むタングステン材料の表面特性（１） ナノ構造表面の修復（２） ナノ構造の冷却効果 （計測：放射温度計；熱電対）（３） ナノ構造における2次電子放出特性（４） ナノ構造のスパッタリング特性（５） ナノ構造におけるクラッキング耐性（６） ナノ構造におけるアーキング誘発性（７） タングステン表面からの放射特性（Total Emissivity を用いて）Boundary
PlasmaSheathPhysics

MaterialSurface

Objective: Characterization for Wall of Fusion Reactor
S. Takamura et al, Proc. 38th EPS Conf. on Plasma Phys. O1.302, 27th June ~ 1st July 2011, Strasbourgh.

Device Specification of AIT‐PID(Aichi Institute of Technology ‐ Plasma Irradiation Device)
Top View

AIT PID
AIT‐PIDx 100,000

100nm

Cross Section

Plasma Density > 1×1018 m‐3 ; Ion Flux : 1×1022 m‐2s‐1
Electron Temperature : 4 eV with ~10% Hot component(40 eV)
Deep Floating Voltage : 40 V

500 nmS. Takamura et al. : Plasma Fusion Res.1 (2006) 051.

Recovery of Tungsten Surface by Plasma Annealing
Recovery may be obtained with some bubbles
remained underneath the surface!
S. Takamura and T. Miyamoto :Plasma Fusion Res. 6 (2010) 005.
Recovered target

Cross Section
100 nmPhoto ofnanostructured
tungstengtargetg

Grazing View

200 nmCooling associated by suppression of SEE
高エネルギー電子成分がプラズマ熱流を高め、シース電圧を深くしている ！

Sheath voltage = Vp – Vf = 40~50 V
in stead of 4Te ~ 16 V
 = nh/n/ c=8%
= Th/Tc = 40/4 eV

Takizuka’s Criterion
 2me m
 i    1 / 2  1 
0.5   2  0.013

  10

放射温度計による測定放射率の問題

S. Takamura et al., PFR 5 (2010) 039.

Favorable Property #1: Surface Cooling
放射入力に比してプラズマ熱負荷が圧倒的に大きいとすると、Pplasma [W ]   t (T )T [ K ]S [m ]41/ 4 P 
T    tS t(T) : Total Emissivity
: Stephan‐Boltzmann’sconstant
S : Surface area
T : Surface Temperature
Pplasma : Plasma Heat Loadt ~ 0.15
0 15~Black Body

0.5~1.0？

2

Physical Mechanisms for Surface Cooling :(1) Increase in Radiation Emissivity (blackening)(2) Deepening of Floating PotentialFavorable Property #2: Suppression of SEE
S.Takamura, T. Miyamoto and N. Ohno,
Plasma Fusion Res. 5 (2010) 039.

Why is the floating potential
deepened?

P / (Te・Iis)

Deepening of floating potential
gives
a smaller
ll energy transmissioni i ffactor
through the sheath.

Suppression of SEE ?
(Secondary Electron Emission )Favorable Property #2: Suppression of SEE (continued)
Tungsten W has
a fairly large SEE !

K. Imai,, K. Ohya,y , G. kawamura,, and Y. Tomita: Contrib. Plasma Phys.
y 50 ((2010)) 458-463.

SEEE YieldA=H/W

J. Kawata and K. Ohya: J. Plasma Fusion Res. 70 (1994)84.

Favorable Property #2: Suppression of SEE (continued)
The effect of SEE is demonstrated in a different way . It is a kind of recovery process for a W plate with ablack surface by increasing the plasma electron heat flux obtained by approaching the biasing potential
to nearly 0 V. The surface temperature increases in time because the nano‐fibers on the surface shrink
so that the emissivity decreases
decreases.
The remarkable phenomenon is a reductions of biasing electron current even under an almost a fixed oreven decreasing biasing voltage. It is believed that the reduction of biasing current is caused by arecovery of SEE because the W surface is gradually smoothed in time. The incident energy of hotelectrons is larger than that in floating condition.

Favorable Property #2: Suppression of SEE (continued)
Suppression of SEE may quench the enormous influx
off electron heat load at the leading edge off ELM.

JET
Bergmann
Nucl. Fusion,
2002
Electron PowerIon PowerFavorable Property #3: Suppression of Sputtering
W I 498.2593nm
In Ar Plasma

WI Intensity

Similar behaviors have been
already reported :D. Nishijima et al.,Dal 19th PSI Conf
Conf. SanDiego
California, May 24‐28, 2010, O‐02,
accepted for publication in J. Nucl. Mater.;doi:10.1016/j.jnumat. 2010.12.017.

Favorable Property #3: Suppression of Sputtering
Why is there a minimum for the sputtering yield ?

Favorable Property #4 : Resistance against Cracking
Fiber‐form nanostructured surfaces possessa good resistance to surface cracking !

D. Nishijima,
DNi hiji
Y KikuchiY.
Kik hi ett al.,l 9th Int.
I t Conf.
C f on Tritium
T iti
ScienceS i& Technology, Nara, Japan Oct. 24‐29, 2010, accepted forpublication in Fusion Science and Technology.

Arcingg on Metal Surfaces

B. Juttner: Plasmaphys. 19 (1979) 25
K. Jukba and B. Juttner: J. Nucl. Mater. 102 (1981) 259

Unfavorable Property : Unipolar Arc
Does nanostructure tend to trigger unipolar arc on the W surface ?

S. Kajita, S. Takamura et al.: Nucl. Fusion 49 (2009) 032002.

タングステンからの熱放射特性１LaB6BNVcmeshAA ItVt
25.00 BNカバー

Taカバー支持棒

BN（ボロンナイトライド）
放電防御用フード支持金具
BN製陰極保護フード

21414-01-W

メッシュ
253.002779-02-W(Cu)

LaB6

電流導入端子30.00

21414-01-W

Taカバー支持棒

電子ビーム引き出し電極設置金具
クランプ(端子の接続部)
真空フランジ(ICF 253)

タングステンからの熱放射特性２

Ｗ表面特性に関するまとめ（１）プラズマアニーリングによりナノ構造を消失させ表面修復させることができる。しかし修復面直下に微少バブル列が残る。これらはKrasheninnikov によるＷの粘性とバブル形成に基づく成長モデルと矛盾しない。
（２）ナノ構造形成過程においては、Ｗ表面の冷却がおきることを熱電対による直接計測で実証。 れは実証。これは全放射率の上昇と2次電子放出抑制に伴う浮遊電位の低下がシースの熱伝達係数を引き下げることの両方に起因する ＥＬＭ襲来に効果的ではないかの両方に起因する。ＥＬＭ襲来に効果的ではないか。
（３）ナノ構造形成により、物理スパッタリングが著しく抑えられる。極小の時の表面モルフォ
ロジーは成長直後のそれと少し異なるが理由はわからない。
ロジーは成長直後のそれと少し異なるが理由はわからない（４）ナノ構造は過渡熱負荷に伴うクラッキングに耐性があることを紹介。
（５）アーキングを誘発しやすい性質は、ナノ構造Ｗが自己防衛的核融合炉壁とする最大の難点。抑制する手立てはないか？
（６）損傷を受けていないＷ表面からの熱放射特性の全貌が明らかになりつつある。これを損傷Ｗに拡張することが課題。