平成26年度PWI合同会合	
筑波大学 2014	  7/31-­‐8/1	

LHD長時間放電における	  プラズマ壁相互作用	  ~	  Microscopic	  modiﬁca>on	  of	  wall	  surface	  and	  its	  impact	  on	  par>cle	  balance	  and	  impurity	  genera>on	  ~	  M.	  Tokitani	  a,	  H.	  Kasahara	  a,	  S.	  Masuzaki	  a,	  G.	  Motojima	  a,	  M.	  Shoji	  a,	  Y.	  Ueda	  b,	  N.	  Yoshida	  c,	  Y.	  Yoshimura	  a,	  K.	  Nagasaki	  d,	  N.	  Ashikawa	  a,	  	  	  a,	  LHD	  experiment	  group	  a,	  S.	  Nagata	  e	  T.	  Mutoh	  aa	  ,	  NaEonal	  H.	  Yamada
InsEtute	  for	  Fusion	  Science	  b	  Graduate	  School	  of	  Engineering,	  Osaka	  University	  c	  Research	  InsEtute	  for	  Applied	  Mechanics,	  Kyusyu	  University	  d	  InsEtute	  of	  Advanced	  Energy,	  Kyoto	  University	  e	  InsEtute	  for	  Materials	  Research,	  Tohoku	  University	  1/24	

Objec>ve	Problems	

Physics	

If	  we	  can	  completely	  understand	  and	  control	  about	  He	  and	  mixed-­‐material	  eﬀects,	  we	  would	  be	  able	  to	  get	  the	  steady	  state	  plasma	  opera>ons.	  
2/24	

Contents	  1.	  Progress	  of	  Long	  pulse	  helium	  discharge	  in	  LHD	  	Two	  uncontrollable	  issues	  against	  	  the	  steady	  state	  2.	  Objec>ve	:	  ultra-­‐long	  pulse	  discharge	  in	  LHD	(A)	  Dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  Γwall	(B)	  Termina>on	  of	  the	  discharge	  with	  impurity	  mixing	

3.	  Highlight	  data	(A)	  Main	  mechanism	  of	  the	  con>nuous	  wall	  pumping	  capability	  Γwall during	  the	  long	  pulse	  discharges	
(B)	  Exfolia>on	  mechanism	  of	  the	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  by	  nano-­‐material	  characteriza>on	

4.	  Summary	

3/24	

Large Helical Device; LHD	  First	  wall:	  Stainless	  Steel	  (SUS316L)	

Divertor:	  	  Carbon	u Plasma	  facing	  components	  ØTotal	  area	  of	  PFCs:	  780m2	  ØFirst	  wall	  panels:	  SUS316L	  (~730m2)	  ØDivertor	  plates:	  Graphite	  (~50m2)	  External	  diameter:	  13.5	  m	  Plasma	  major	  radius:	  3.9	  m	  Plasma	  minor	  radius:	  0.6	  m	  Plasma	  volume	  30	  m3	  4/24	
MagneEc	  ﬁeld:	  3	  T	  

RF	  hea>ng	  system	  for	  long	  pulse	  discharge	  u For	  a	  long	  pulse	  discharge	  experiment	  ICH	  FAIT	  antenna	  (#4.5)	

u H	  minority	  ICH+ECH	  He	  discharge	  is	  the	  main	  process	  u Total	  RF	  power	  for	  a	  “long	  pulse”	  discharge	  	  	  ICH:	  3MW	  in	  total	  	  	  ECH:	  0.54MW	  in	  total	

ICH	  PA	  antena	  (#7.5)	

ICH	  HAS	  antenna	  (#3.5)

ECH	  	  77GHz(×3),	  82.7GHz,	  	  	  84GHz,	  154GHz	  (6	  set	  in	  total)	

5/24	

Progress	  of	  long	  pulse	  helium	  discharge	  in	  LHD	  u ne∼1.2×1019	  m-­‐3,	  Ti,e∼2	  keV,	  τd∼48	  min.	  with	  PICH+ECH∼1.2	  MW	  	  Wheat∼3.6	  GJ	  (world	  record)	  Outstanding	  achievement	  for	  a	  new	  opera>on	  regime	  ultra-­‐long	

6/24	

Robust	  plasma	  by	  higher	  power	  input	  u Contributed	  tools	  for	  the	  ∼48	  min	  long	  pulse	  	  1. Feedback	  controlled	  gas	  feed	  system	  2. Eﬃcient	  minority	  gas	  (H)	  ra>o	  control	  system	  (SSGP,	  gas-­‐puﬀ)	  3. Eﬀec>ve	  heat	  ﬂux	  distribu>on	  by	  three	  sets	  of	  ICH	  antennas	  heat	  loading	  First	  wall	  	  	  	  	  	  	  	  	  Divertor	  	  Pdiv	  avg	  	  	  	  ~	  0.8	  MW/m2	~	  60℃	High	  temperature	  plasma	  (Ti,e∼2	  keV)	  with	  high	  input	  power	  PICH+ECH∼1.2	  MW	  Plasma	  was	  changed	  to	  the	  robust	  condi>ons	  against	  the	  small	  ﬂuctua>on	  event	High	  performance	  ultra-­‐long	  pulse	  discharges	

7/24	

Contents	  1.	  Progress	  of	  Long	  pulse	  helium	  discharge	  in	  LHD	  	Two	  uncontrollable	  issues	  against	  	  the	  steady	  state	  2.	  Objec>ve	:	  ultra-­‐long	  pulse	  discharge	  in	  LHD	(A)	  Dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  Γwall	(B)	  Termina>on	  of	  the	  discharge	  with	  spark	  (impurity	  mixing)	

3.	  Highlight	  data	(A)	  Main	  mechanism	  of	  the	  con>nuous	  wall	  pumping	  capability	  Γwall during	  the	  long	  pulse	  discharges	
(B)	  Exfolia>on	  mechanism	  of	  the	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  by	  nano-­‐material	  characteriza>on	

4.	  Summary	

8/24	

(A)	  Dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  Time	  evolu>on	  of	  a	  total	  amount	  of	  the	  evacuated	  He	  by	  pump	  and	  the	  retained	  He	  on	  the	  wall	  es>mated	  by	  global	  par>cle	  balance	Phase3	

Discharge	  end	Phase1	
N plasma + N neutral + N wall + ∫ Γexhaust dt∫ Γpuff =Phase2	

Pam3	

Phase2	

Pam3	

Phase1	

G.	  Motojima	  	Γpuff :	  He	  puﬃng	  rate	  Nplasma :	  number	  of	  ionized	  Discharge	  He	  in	  vessel	  Nneutral :	  number	  of	  neutral	  end	  He	  in	  	  avt	  essel	  28min	
Νwall :	  number	  of	  He	  by	  wall	  pumping	  Γexhaust :	  evacuaEon	  rate	  by	  pump	  Νwall	

Time	  [s]	Time	  [s]	Γwall	

Phase	  1	Phase	  2	Phase	  3	∼1.0×1020He/s	

∼−3.5×1018	  He/s	

∼1.4×1019He/s	

p The	  electron	  density	  (ne)	  was	  well	  controlled	  by	  gas	  feedback	  system	  during	  the	  discharge,	  however,	  Γwall	  changed	  diﬀerently	  in	  the	  three	  phases	  (not	  sta>c).	  
p Such	  a	  dynamical	  change	  of	  	  Γwall	  disturbs	  the	  stable	  par>cle	  control.	  
Neutral	  He	  (Pvv	  x	  245	  m3)	  and	  Plasma	  parEcle	  (ne	  x	  30	  m3)	  are	  negligible	  small	

9/24	

(B)	  Termina>on	  of	  discharge	  with	  impurity	  mixing	  Spark	  Power	  (MW)	  	 CIII	  (au)	  	 FeXVI	  (au)	  	 ne	  (x1019m-­‐3)	

ConEnuous	  visible	  camera	  images	  at	  the	  end	  term	  of	  the	  long	  pulse	  helium	  discharge	  Mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  with	  C	  and	  Fe	?77,<C91 =/4=.3,<20  5mm	  M.	  Shoji	  	  70<,47,20   (:,<5=9..?<<0/,>,<9?8/ !69A0<=4/0:9=4>4989-=0<@0/u Termina>on	  process	  <,A9?6/-0>30.,?=091>30>0<748,>49891>30/4=.3,<20 

1. Intensive	  sparks	  were	  observed	  at	  the	  divertor	  region.	  	  2. C	  and	  Fe	  emission	  suddenly	  increased	  at	  the	  same	  >ming	  of	  the	  spark.	  
3. Accumulated	  deposi>on	  layer	  was	  likely	  exfoliated	  and	  mixed	  into	  the	  plasma	  with	  10/24	
sparks.	  Two	  uncontrollable	  issues	  u For	  achievement	  of	  	  the	  steady	  state	  ultra-­‐long	  pulse	  discharge	
(A)	
(B)	
Dynamic	  change	  of	  Termina>on	  of	  the	  the	  wall	  pumping	  Γwall	
discharge	  with	  PWIimpurity	  mixing	Gas feedstudy	
Dynamic	  change	  of	  Γwall	

controlDisturbs	  the	  stable	  par>cle	  control.	

Powerbalance

C	  and	  Fe	  mixing	  by	  exfoliated	  ﬂakes.	

Heatingsystem

Termina>on	  of	  plasma	u Microscopic	  modiﬁca>on	  of	  wall	  surface	  would	  aﬀect	  	  and	  A) Main	  mechanism	  of	  the	  con>nuous	  wall	  pumping	  capability	  Γwall
during	  the	  long	  pulse	  discharges.	  
B) Exfolia>on	  mechanism	  of	  the	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  by	  nano-­‐material	  characteriza>on.	  

11/24	

Contents	  1.	  Progress	  of	  Long	  pulse	  helium	  discharge	  in	  LHD	  	Two	  uncontrollable	  issues	  against	  	  the	  steady	  state	  2.	  Objec>ve	:	  ultra-­‐long	  pulse	  discharge	  in	  LHD	(A)	  Dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  Γwall	(B)	  Termina>on	  of	  the	  discharge	  with	  impurity	  mixing	

3.	  Highlight	  data	(A)	  Main	  mechanism	  of	  the	  con>nuous	  wall	  pumping	  capability	  Γwall during	  the	  long	  pulse	  discharges	
(B)	  Exfolia>on	  mechanism	  of	  the	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  by	  nano-­‐material	  characteriza>on	

4.	  Summary	

12/24	

(A)	  Dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  p Possible	  scenario	  for	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  	 First wall
Microscopic	  modiﬁca>on	  of	  the	  ﬁrst-­‐wall	  surface	  	  (He	  radia>on	  damage,	  Deposi>on	  layer)	

He	He	  plasma	  ③Co-­‐deposi>on②Erosion,	  deposi>on	

He	  was	  retained	  on	  the	  modiﬁed	  surface	
He	He	  sink	  and	  He	  source	  change	  dynamically	
Aﬀects	  the	  wall	  pumping	  rate		  	  	  -­‐	  Surface	  modiﬁca>on	  	  	  -­‐	  Reten>on	  proper>es	  of	  He	  ①bubble,	  disloca>on	

Which	  types	  of	  a	  surface	  modiﬁca>on	  aﬀects	  the	  dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate?			
Compare	G.	  Motojima	  P3-­‐042	  (Thu.)	

13/24	

Material	  probe	  experiment	  LHD	  Vacuum	  vessel	  p Experimental	  set	  up	  for	  material	  irradia>on	Ø Stainless	  steel	  (SUS316L)	  specimens	  were	  mounted	  on	  the	  probe	  head	  Ø They	  were	  inserted	  into	  a	  ﬁrst-­‐wall	  eq.	  posi>on.	  
Ø Exposed	  to	  the	  preference	  plasma	  by	  using	  the	  rota>ng	  shuter	

Target	  plasma	  parameter:	  Ø ne∼1.2×1019	  m-­‐3,	  	  Ø Ti,e∼2	  keV,	  	  Ø PICH+ECH∼1.2	  MW	Plasma	  ICH+ECH	  	  He	  discharge	

SUS	SUS	  Exposure	  posi>on	  First	  wall	  eq.	  

Si	SUS	  (TEM)	
ICH+ECH	  	  He	  discharge	

C	RotaEng	  Shu^er	4.5L	  Port	  p Material	  analysis	Ø Transmission	  electron	  microscope	  (TEM)	  Ø Thermal	  desorp>on	  spectroscopy	  (TDS)	  Ø Rutherford	  backscatering	  	  spectrometry	  (RBS)	  Temperature [oC]Three	  cases	  of	  target	  exposure	  >me:	  [1000s],	  [3000s],	  [10000s]	  in	  total	  
70
60
50
40
3020
-200300

800

1300 1800 2300 2800

Time [s]Time	  evolu>on	  of	  temperature	  of	  typical	  ﬁrst	  wall	  posi>ons	  during	  a	  long	  pulse	  discharge.	  

p From	  analysis	  data	Ø Average	  wall	  pumping	  rate	  was	  es>mated	  14/24	

Characteris>cs	  of	  the	  deposi>on	  layer	  p Cross-­‐sec>onal	  TEM	  images	  of	  SUS316L	
Thin	
Thickness	  of	  a	  Mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	

1000s	  Deposi>on		 ~5nm		 

Damage	  (SUS)	

9980s	  3389s	  2keV-­‐He	  (TRIM-­‐code)	

Deposi>on	 ~40nm	

Deposi>on	~15nm	
Damage	  (SUS)	

40nm	

Thick	Damage	  (SUS)	
40nm	

40nm	

Thickness	  of	  the	  deposi>on	  layer	  was	  increased	  with	  increasing	  the	  exposure	  >me	  p Atomic	  concentra>on	  	  of	  the	  deposi>on	  layer	  (by	  RBS)	

Main	  component	  is	  Cà	  3389s	

9980s	C	  [atoms/m2]	

2.6×1021	

3.7×1021	

Fe	  [atoms/m2]	

3.0×1019	

3.8×1019	

Mo	  [atoms/m2]	

7.0×1017	

2.3×1018	

C：98%，
Fe：1	  ∼2%	15/24	

Thermal	  desorp>on	  spectra	  of	  He	  3389s	  1000s	  2

He desorption rate [He/m s]①+②	  	①+②	  	③	1710161015

101710161015101010300

500

700

900 1100 1300 1500

300

Temperature [K]171615500

700

900 1100 1300 1500

300

500700900 1100 1300 1500

Temperature [K]Temperature [K]p Low	  temperature:	  ∼	  300-­‐600K	  ①	  Mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  	  ②	  Weak	  trapping	  site	  in	  the	  SUS	  matrix	  Depo.	  layer	
①	p High	  temperature:	  ∼	  1000-­‐1400K	  ③	  Inside	  of	  the	  He	  bubble	  SUS	  Matrix	
②	  +	  ③		  ③	18101010①+②	  	③	1818109980s	  He	  He	  Disloca>on	  loop	  Helium	  trapped	  in	  the	  helium	  bubbles	  would	  not	  make	  any	  serious	  eﬀect	  for	  long	  pulse	  discharge.	  	  Helium	  trapped	  in	  the	  mixed-­‐material	  deposiEon	  layer	  (300-­‐600K)	  could	  aﬀect	  the	  dynamic	  16/24	
change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate.	  Wall	  pumping	  rate	  by	  mixed-­‐material	  202.0x101.5x1020

50Reten>on	  rate:	  	  	  	  	  	  	  1.6×1016	  He/m2s	

40
30

20

1.0x1020
5.0x1019
0.00102000 4000 6000 8000 10000

0Thickness of depo. layer [nm]He desorbed at 300-600K [He/m 2]p Rela>onship	  of	  total	  reten>on	  of	  He	  desorbed	  at	  300-­‐600K	  and	  thickness	  of	  the	  mixed-­‐material	  depo.	  Layer	  as	  a	  func>on	  of	  an	  exposure	  >me	  	  	Exposure time [s]Ø Amount	  of	  He	  reten>on	  is	  linearly	  propor>onal	  to	  the	  thickness	  of	  the	  Mixed-­‐material	  deposi>on	  layers.	  
Ø Satura>on	  of	  a	  He	  reten>on	  cannot	  be	  seen	  even	  at	  around	  10000s	  exposure.	
Total	  amount	  of	  an	  average	  reten>on	  rate	  in	  whole	  LHD	  ﬁrst	  wall:	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  1.6×1016	  He/m2s	  x	  730	  m2=	  1.2×1019	  He/s	

17/24	

Comparison	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  	  	 Compare	[G.	  Motojima	  P3-­‐042	  (Thu.)]	  Phase	  1	1.2×1019	  He/s	

Phase	  2	Phase	  3	Γwall∼1.0×1020	 ∼−3.5×1018	 ∼1.4×1019	
[He/s]	
Phase1	

Phase2	

Phase3	

Pam3	

Good	  agreement	  with	  phase	  3	  	Νwall	

Even	  at	  a	  C	  based	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  play	  a	  major	  role	  for	  the	  wall	  pumping	  of	  He.		  	  	  In	  ITER	  case,	  since	  materials	  of	  PFCs	  are	  diﬀerent	  with	  LHD,	  reten>on	  [s]	 layer	  would	  be	  diﬀerent	  characteris>cs	  of	  helium	  by	  mixed-­‐material	  dTime	  eposi>on	  with	  LHD	  case.	  However,	  dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  might	  be	  induced	  and	  inﬂuenced	  for	  a	  steady	  state	  plasma	  control.	
18/24	

Contents	  1.	  Progress	  of	  Long	  pulse	  helium	  discharge	  in	  LHD	  	Two	  uncontrollable	  issues	  against	  	  the	  steady	  state	  2.	  Objec>ve	:	  ultra-­‐long	  pulse	  discharge	  in	  LHD	(A)	  Dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  Γwall	(B)	  Termina>on	  of	  the	  discharge	  with	  impurity	  mixing	

3.	  Highlight	  data	(A)	  Main	  mechanism	  of	  the	  con>nuous	  wall	  pumping	  capability	  Γwall during	  the	  long	  pulse	  discharges	
(B)	  Exfolia>on	  mechanism	  of	  the	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  by	  nano-­‐material	  characteriza>on	

4.	  Summary	

19/24	

(B)	  Termina>on	  of	  the	  discharge	  with	  impurity	  mixing	  p Possible	  scenario	  of	  impurity	  mixing	  	Mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  with	  C	  and	  Fe	  is	  formed	  on	  the	  PFMs	
Exfoliate	  from	  the	  substrate	  and	  mix	  to	  the	  plasma	

5mm	  Ø Many	  ﬂakes	  can	  be	  found	  around	  the	  divertor	  region.	  

Exfolia>on	  mechanism	  of	  the	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  should	  be	  clariﬁed.	  		  	  	  20/24	

Microstructural characterization by TEM	Cross-­‐sec>onal	  TEM	  images	  and	  EDS	  mapping	  of	  the	  exfoliated	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  formed	  on	  the	  divertor	  region	

C	Fe	

5mm	  1µm	  Ø Very	  ﬁne	  stra>ﬁed	  layer	  structure	  [1].	  
Ø Main	  component	  is	  C	  (∼90%).	  
Ø It	  was	  created	  by	  erosion	  and	  re-­‐deposi>on	  of	  a	  carbon	  divertor	  >les	  through	  a	  short	  range	  transport	  of	  C.	  

[1]	  M.	  Tokitani	  et	  al.,	  J.	  Nucl.	  Mater.	  417	  (2011)	  668	 21/24	

Evaluation of mechanical properties 	p Nano-­‐scale	  compression	   p Nano-­‐scale	  hardness	  test	
fracture	  test	Triangular	  Pyramid	  Indenters	  Apex	  angles:	  115˚	  Radius	  of	  curvature	  of	  >p：	  Dust	 less	  than	  0.1µm	20µmφ	
Dust	

C	  rich	  (〜90%)	  with	  Fe	Fracture	

1200

Stress (mN)Stress (MPa)5mm	  800
600
400
2000012345〜165HV*	80

σf	  〜0.9GPa	

1000

660

20007

ØHard	  and	  britle	  40

1Displacement (µm)

4567Displacement (µm)σf	  	  >>	  4GPa	

5000
4000
3000
2000
1000
002

468 10 12 14 16 18 20 22 24

Displacement (µm)

80Stress (mN)

6000

Stress (MPa)3No	  fracture	

Fe	  rich	  (〜80%)	  with	  C	5mm	  2〜21HV*	60ØSoz	  and	  duc>le	  40
2000

12

34567

Displacement (µm)

C	  rich	  depo.	  layer	  is	  hard	  and	  britle	  à	  Easy	  to	  exfoliate	  than	  Fe	  rich	  layer	

22/24	

Two	  types	  of	  an	  exfolia>on	  patern	Possible	  scenarios	  of	  exfolia>on	Type	  1	  C	  Stress	  release	  “Fracture	  at	  Fe	  layer”	

Fe	  DeposiEon	  	  layer	

Si	  	  C	  rich	

Fracture	  point	 200nm	  200nm	  200nm	  Type	  2	  Blistering	

Fe	  rich	

PFM	
Blistering	  growth	  	  “Fracture	  at	  Fe	  layer”	

C	  rich	DeposiEon	  	  layer	

Fe-­‐rich	  layer	
C	  1µm	  Fe	  rich	

PFM	The	  possible	  way	  for	  reducing	  the	  exfolia>on	  		  	  	  23/24	

Summary	  Two	  major	  PWI	  issues	  (A)	  and	  (B)	  for	  achievement	  of	  	  the	  steady	  state	  ultra-­‐long	  pulse	  discharge	  were	  studied	(A)	  Dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate	  Γwall	Ø The	   microscopic	   modiﬁca>on,	   such	   as	   helium	   radia>on	   damage	   and	   mixed-­‐material	   deposi>on	  layers	  due	  to	  the	  PWI	  were	  formed	  on	  the	  ﬁrst-­‐wall	  surface.	  
Ø The	   C	   based	   mixed-­‐material	   deposi>on	   layer	   seems	   to	   cause	   the	   con>nuous	   wall	   pumping	  capability.	  However,	  since	  the	  trapping	  energy	  of	  the	  helium	  into	  that	  deposi>on	  layer	  is	  weak	  and	  trapped	  helium	  is	  drama>cally	  released	  even	  at	  near	  room	  temperature	  (~400	  K).	  Desorbed	  helium	  from	  this	  trapping	  site	  likely	  causes	  the	  "dynamic	  change	  of	  the	  wall	  pumping	  rate“.	  

(B)	  Termina>on	  of	  the	  discharge	  with	  impurity	  mixing	Ø The	  C	  based	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  was	  hard	  and	  britle.	  Such	  material	  proper>es	  likely	  aﬀected	  the	  exfolia>on	  feature	  of	  the	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  Ø Two	  kinds	  of	  exfolia>on	  scenario	  Type	  1	  and	  Type	  2	  were	  proposed,	  and	  its	  informa>on	  is	  helpful	  for	  predic>ng	  the	  mixing	  scenario	  of	  the	  mixed-­‐material	  deposi>on	  layer	  to	  plasmas.	  	  	  	  One	  of	  the	  eﬀec>ve	  candidate	  methods	  for	  controlling	  the	  two	  major	  issues	  would	  be	  that	  the	  materials	  of	  the	  PFMs	  should	  be	  composed	  by	  a	  single	  element	  with	  low	  sputering	  yield.	

24/24