J. Plasma Fusion Res. Vol.97, No.4 (2021)２
２１‐２２８

解説

磁場閉じ込め核融合研究分野におけるアーキング研究の位置づけとその展望
Status and Prospects of Arcing in the Magnetic Confinement Fusion Studies
皇甫度均
HWANGBO Dogyun
筑波大学（原稿受付：２
０
２
１年２月１
９日）

磁場閉じ込め核融合研究において，炉壁上で発生するアーキングは，炉壁の損耗を促進するとともに不純物の発生源として懸念される．本解説では，金属壁の利用及び間欠的熱負荷の流入により発生するアーキング事例を俯瞰するとともに，解明されつつあるヘリウムとタングステンの相互作用により形成される表面ナノ構造がアーキングに及ぼす変化について解説する．また，冷却用ガス導入とタングステン堆積がもたらすアーキング発
生環境の変化を展望する．
Keywords:
arcing, plasma-facing component, nanostructure, erosion, tungsten, divertor

１．はじめにの誘電層，ガス吸着層，クラック（cracks）および過去に形

アーク放電は電極間における大電流及び低電位差を特徴成されたクレータの縁など，表面状態により，局所領域かとする放電であり，様々な分野に応用されている．特に，

ら電界電子放出が開始する．その際，電流は電子放出ス

電極材を蒸発させた金属アークプラズマを用いたナノ材料

ポットに集中するため，ジュール加熱によりスポットが加の合成［１，２］，表面蒸着［３］および溶接［４］は，アークプラ

熱される．温度上昇により（冷たい）電界電子放出は熱電ズマの特性を有効に活用している例と言える．一方で，電界電子放出に変化し，電流密度はさらに増加し，スポット

力系統の真空遮断器［５，６］やプラズマ化学気相成長など，はいずれ相転移のための臨界温度（critical temperature）

半導体プロセスでのアーキング（arcing）［７，８］は抑制すべに達する［１
２］．

き対象として研究されている．

臨界温度に達したスポットは短時間で蒸発する．蒸気は

磁場閉じ込め核融合装置ではプラズマに対して負の電位

電子との衝突により励起・電離し，高密度の金属プラズマを持つプラズマ対向壁上でアーキングが発生する．プラズを形成する．スポットからの多量の電子放出によりシース

マを介して単一の電極表面で発生する「単極アーク」がそ間の電位差は減少し，表面には大電流ループが形成されの特徴であり，電極となるプラズマ対向壁には材料の蒸発る．この現象は爆発的電子放出（explosive electron emis-

により生成されるクレータ（crater）がアーク痕を生成す

sion，ecton）と呼ばれ，陰極表面には蒸発とともにクレーる．したがって，アーキングにより炉壁表面は損耗し，不タ模様のアーク痕が残る．陰極真空アークに関する詳しい

純物が放出される．

解説は［９，
１０］を参照されたい．

１．
１ アーキングの理論的背景

１．
２ 核融合炉におけるアーキングの歴史と炉壁を取り巻く環境変化

陰極表面上の特性が類似することから，単極アークの研
究は陰極真空アーク（cathodic vacuum arc）を理論的背景

核融合炉の磁場配位がリミター配位であった１
９７０−８０年としている［９，１０］．陰極アークは他のアーク放電とは違っ代まで，アーキングは炉心プラズマへの不純物の生成源とて，極めて高い電流密度と非常に小さな陰極電圧降下（〜

して主な要因の一つとして研究されていた．特に，リミ

20 V）を有する．

ター配位では炉壁が炉心プラズマと直接接していたため，

アーキングは表面からの電子放出によるブレークダウン

短時間で大量の不純物が発生し炉心プラズマ性能に大きな（breakdown）から始まる［９］．陰極表面には強い電場が問題を与えた［１３‐１９］．ダイバータ配位への移行後，AS-印加される．よって，アークの点弧は電界電子放出によるDEX 装置を中心に炭素壁ダイバータでのアーキングによものが一般的である［１１］．プラズマ−材料界面ではシースる影響の再評価がなされ，物理・化学スパッタリングに比電場により電子放出が開始される．微細突起，酸化膜など

べ微小であることが一般的見解として定着した［２０‐２２］．

Plasma Research Center, University of Tsukuba, Tsukuba, IBARAKI 305-8577, Japanauthor’s e-mail: hwangbo@prc.tsukuba.ac.jp

２２１!2021 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.4 April 2021

一方，炭素壁ダイバータにおけるトリチウム吸蔵の問題

W コーティング膜が完全に剥離した．アーク痕はジグザグから全金属壁の実験が行われるようになり，また H-mode

運動をしながら，アーク電流と磁場が成すアンペール法則などプラズマ運転の高性能化や周辺局在化モード（edgeの逆方向（!""!，"はアーク電流，! は外部磁場），いわlocalized modes; ELMs）を想定する運転シナリオが採択さ

ゆる retrograde 方向に直線運動した［２６］．その後，一連のれるようになったことから，２０００年代以降に再びアーキン

実験により多数のアーク痕が発見され［２７‐３０］，ELMsが誘グによる影響が検証された．検証実験のほとんどは炭素材

起する高電場シースがアーキングのトリガーになることにタングステン（W）コーティングを施したダイバータ板［２７］，スパッタリングの数倍に及ぶ局所的損耗などが確認

を用いて行われ，多数のアーキングが発見されるようにされた［２８］．しかし，ダイバータ板全体で発生するスパッなった．他方，プラズマ対向壁以外にも，計測装置やプラタリングに対し，アーキングによる損耗は局所的であり，ズマ加熱用部品の表面などでもアーキングが観測されるよ絶対量として微小であることが確かめられた［２８］．DIII-D

うになり，プラズマ診断や加熱への影響が懸念された．

でも同様の実験が行われ，ELMs によるアーキングの発生

近年，燃料以外に炉内に存在する，ヘリウム（He），ネオが確認された［３１］．ASDEX-U と 同 様，ア ー キ ン グ はン（Ne），窒素（N2）を始めとする反応副産物および冷却!""! 方向に運動した．また，全体の損耗量に対しアーキ用に導入する不純物ガスとの相互作用により，金属壁にはングによる損耗量は小さいことが示唆された［３２］．

著しい表面構造変化が発生することがわかってきている

アーキングによる損耗は流れる電流に依存するため，単［２３‐２５］．このような表面構造変化はアーキングの点弧特位電荷量当たりの質量損失量（μg/C）が損耗率の指標とし性に大きな影響を与える．本解説では，ITER を含め金属てよく用いられる．金属の中でも W はアーキングによる損壁実験へ移行しつつある昨今の核融合炉実験装置における耗量が非常に小さく，〜20 μg/C と知られている．それは，アーキングの発生事例を紹介する．また，He および冷却用

固相から気相へ相転移させるために必要なエネルギーが高ガスと W との相互作用で生成される，繊維状ナノ構造

いためである［１０］．一方，鉄（Fe）のような材料は W に比（fuzz）等の形成によるアーキングの点弧特性の変化およべ損耗率が高く，〜50 μg/C である［１０］．ASDEX-U におい

び材料損傷の特性をまとめ，今後の核融合炉に及ぼす影響てフェライト相系耐熱鋼（P92）材を用いた実験では，P92を展望する．

材で W の１００倍以上の損耗が観測されている［２８］．したがって，ITER 後継の DEMO 炉など，低放射化フェライト

２．核融合実験装置におけるアーキングの発生例及び表面状態との関係

鋼の採用が検討される際にアーキングによる局所的な損耗

２．
１ ダイバータ板上でのアーキング

２．
２ プラズマ計測系，加熱系でのアーキング

はより深刻化する可能性がある．

２０００年 代 に お け る ア ー キ ン グ を 目 的 と し た 実 験 は，

炉心プラズマの性能向上のために，イオンや電子の電磁ASDEX-Upgrade 装置を用いて M. Laux らによって始めら

波による加熱がよく用いられる．また，高温高密度プラズ

れた．図１で示すように，0.3−1 μm の W コーティングをマの診断にも電磁波が必要である．しばしば電磁波の真空施したグラファイトタイルにアーキングが発生した結果，

容器内経路上には，プラズマに対向した反射ミラー等が設置されるが，これらの装備は高熱流プラズマの直接接触が想定されない領域であるにも関わらず，アーキングが発生しやすい場所として知られる．JT-60U トカマクではプラズマから十分離れた位置にあるトムソン散乱計測用ミラー
や，真空容器の外側の大気中にあるミラー表面にアーク痕が発見された［３３］．また，LHD（Large helical device）で［３４］，レトロリフ
は電子サイクロトロン放射計測用ミラー
レクター（retroreflector）の表面にアーク痕が発見された［３５］．JET ではイオンサイクロトロン共鳴加熱（ICRH）用の真空伝送路において，低電圧ブレークダウンに続いてアーキングが発生したことが報告されている［３６］．これらのアーキングの発生機構は未解明な部分があり，商用核融合装置の設計において不確実性をもたらすことが懸念され
る．
２．
３ グロー放電洗浄時のアーキング
プラズマ運転時以外に，グロー放電洗浄によってもアーキングは発生する．グロー放電洗浄時のアーキングの特徴
は，磁場を印加しないためスポットが直線方向の運動をし

図１ないこと，運転時においてプラズマが直接流入せず，影にASDEX-U において 0.3 μm-W 膜上に形成されたアーク痕
［２
６］
．（a）
アーク痕の拡大図．（b）
一部の領域におけるアー
ク痕幅．

なっている領域でも発生することなどが挙げられる．
図２はステラレーター装置 Wendelstein 7-X（W7-X）の２２２

Commentary

Status and Prospects of Arcing in the Magnetic Confinement Fusion Studies

D. Hwangbo

トダイバータテストユニットが設 置 さ れ た Operational

３．ナノ構造上でのアーキングの発生と材料損耗への影響

Phase 1.2b までの期間に累積されたアーク痕である．ステ３．
１ ナノ構造の核融合炉内での生成およびアーキング

真空容器内に形成されたアーク痕を表す［３７］．グラファイ

ンレススチール（SS）の真空容器（図２（a）と（b）），ドップ

核融合装置におけるアーキングは不意に発生することがラー反射系のミラー（図２（e）），赤外・"! 線カメラポー

ほとんどであり，発生時刻や発生場所における電圧電流変トの表面（図２（f））など，様々な場所でアーキングが発生化に関する情報は極めて少ない．そのため，点弧条件や特し，その痕跡はそれぞれ異なることがわかる．興味深いの性を理解するのが困難であった．実験室で単極アークを再は，SS 容器の裏側（図２（c））および炭素壁の支持と冷却を現する試みも，その発生条件の難しさから長年停滞してい担当する CuCrZr 構造の表面にもアーク痕が形成されたこ

た．

とである．図２（f）を除く他のアーク痕はいずれも集合し転機は He-W 相互作用により著しい表面構造変化が発生た形状を有しており，磁場の影響を受けないグロー放電洗する，ナノ構造の形成が発見されたことにある．図３（a）に浄時に発生していると思われる．

He の入射イオンエネルギー 20 eV，W の表面温度 1000 K

最近，LHD の重水素実験において，装置の整備のために以上の条件［３９］で形成される典型的なナノ構造の断面図を

真空容器を観察した結果，多数のアーキングが新たに発生示す．直径数十 nm の円筒状構造が不規則に絡み合い，数していたことが報告された［３８］．容器内観察が行われたのμm程度の層が表面に一様に形成されることが特徴である．

はグロー放電洗浄と本プラズマ運転の間であり，グロー放その形状ゆえ，ナノ構造層の熱伝導率は通常の平板 W の約

電洗浄によって誘起されるアーキングの直接的証拠として１％未満となり［４０］，先端部における電界電子放出係数は重要な報告である．

数百倍に増加する［４１］ことが実験的に示された．

２．
４ 材料および表面状態の影響

ナノ構造を用いることで，定常 He プラズマ−W 表面間

上述した LHD でのアーキング［３８］は，高速イオン !!

での単極アークの点弧が初めて報告された［４２］．図３（b）

用ミラーのシャッタ―や駆動シャフト上に発生した．アー

はナノ構造上で生成されるアーク痕の典型的な例を示す．

ク痕は大面積 に かけ て 形 成 さ れ て お り，ア ル ミ ニウム

表面には直径 2−5 μm 程度のクレータが生成し，隣のク（Al）の表面のみに選択的に発生していた．これは材質のレータと連結して長い曲線状のトラックを形成する．ま性質（仕事関数，熱伝導率，臨界温度等［９，１０］）により同

た，トラック同士は絡み合って巨視的な迷路構造を形成す

条件で異なる点弧特性を示す例である．また，図２（a）のよる．それ以降，ナノ構造 W を核融合実験装置に設置し，プ

うなエッジにおける凹凸構造，図２（b）のような表面の汚ラズマを照射する一連の実験が様々な装置で行われ，LHD

染など，炉壁の表面状態はアーキングの点弧特性を大きく［４３］，DIID-D［４４］，COMPASS［４５］などでアーキ ングの変化させる．

点弧が確認された．同時に設置された表面が滑らかな W
上ではアーキングが発生しなかったことから，ナノ構造の性質がアーキングを誘発しやすいことも示された．また，

図２

Wendelstein 7-X の様々な場所で発生したアーク痕［３
７］
．
（a）
と（b）
SS パネル前面，（c）
SS パネル後面，（d）
グラファ
イトバッフル支持体後面，（e）
ドップラー反射系ミラー，（f）
光学用ポート表面．

図３ （a）
典型的なタングステンナノ構造層の断面と（b）
ナノ構造
層に残ったアーク痕．

２２３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.4 April 2021

ヘリカル装置である LHD を除き，トカマク装置でのアーなり，その傾きはプラズマ柱の抵抗値（Spitzer 抵抗）に等

キングは ELMs や Disruption などによる間欠的熱負荷の流しいことが示された［４７］．

入時に発生した．これらの結果は，ナノ構造の形成により，

３．
３ ナノ構造上でのアーキングの発生条件

表面の温度上昇，シース電位差の上昇などアーキングの誘

アークの点弧には，間欠的熱負荷による金属蒸気プラズ

起に適した環境が形成されることを示唆する．

マの形成が必要である．梶田らは，ELMs と同程度のパル

３．
２ ナノ構造上でのアーキングの電圧電流特性

ス長を有するルビーレーザーを用いた実験で，アーク点弧

梶田らにより，直線型定常プラズマ装置 NAGDIS-II におに必要なレーザーパルスのエネルギー閾値が 0.01 MJ/m2

いて，電気的に浮いている試料とプラズマ間で自発的に形であり，ELMs で想定される熱負荷より小さい負荷でアー成されるシース電位差が 60 V 以上となる条件において，間キングが点弧可能であることを示した［４８］．

欠的熱負荷を模擬したレーザーパルスを表面に入射するこアークの維持のためには，金属蒸気プラズマによる電圧とで単極アークの誘起に成功した［４２］．それ以来，実験室

降下分の最小動作電圧（＝アーク動作電圧）が必要である

プラズマの特長を生かした後続研究が活発に行われた．後ことが知られる［９］．一方，プラズマ−金属間の単極アー続実験では定常プラズマのパラメータを柔軟に調整するた

クではシース電 圧 が 重 要 な 条 件 と な る．NAGDIS-II でめ，試料に外部から負のバイアス電圧を印加することでは，プラズマに対して−60 V 以下の電位差でアーキングのシース電位差を調整している．

点弧を確認した［４８］．一方で，PISCES-A では−100 V 以下

図４（a）に NAGDIS-II におけるアーキング点弧前後の電の電圧を必要とした［４９］．この違いも使用された電源の応流電圧波形の変化の例を示す．試料を−70 V にバイアスし答に起因すると思われる．外部電源を用いない Pilot-PSI

レーザーパルスを印加するとアーキングが誘起され，試料での実験では，−70 V 程度の電位差が必要であることがわ

電流はイオン飽和電流（〜0.7 A）から 7 A（電源設定値）まかっている［５０］．

で増加する．応答の速いバイポーラ電源を用いると図４

アーキングの点弧および持続にはシース電位差に加えて（a）のように瞬間的に設定値に達する反面，直流安定化電プラズマ温度や密度も重要と思われる．これらのパラメー源のような比較的立ち上がりが遅い電源の場合，アーク電

タはシース電場強度に作用する．図５は PISCES-A を用い流は設定値を大幅に超えるまで増加し，ゆっくり減少しなて行われたアーキング発生時のシース電圧および電場の依がら設定値に近づく［４６］．アークスポットから多量の電子存性を示している［４７］．シース電位差 100 V 以上，電場が放出されると同時に，シース電圧は減少し，アーク動作

2 MV/m 以上の条件を満たした時，アーキングが発生する

電圧と呼ばれる〜30 V 程度を 維 持 す る こ と が 知 られる

ことがわかる．したがって，ELMs など高温高密度のプラ［９］．直線型直流プラズマ装置では，プラズマソース端のズマの流入時はアーキングの発生しやすい環境であると言陽極が接地されていることから，試料と陽極の間には磁力える．

線に沿って流れるプラズマ柱を介して大きな電流ループが３．
４ ナノ構造層の厚さとアーキングの挙動およびプラズ
マ特性の関係形成され，図４（b）のような電圧電流の直線的な変化が見

ナノ構造上のアークスポットの挙動およびプラズマ特性られる．アーク電流が大きくなるほど試料電圧は負に深くの理解は，核融合炉における炉壁の損耗面積の推定および発生した不純物の磁場を横切る挙動を理解するために重要である．一方，アークスポットの挙動は磁場と局所的プラズマの相互作用の面で興味深い現象である．

図４ （a）
アーキング発生時の電流電圧の経時変化と（b）
電圧電流
特性．

図５

２２４

ナノ構造上のアーキングの発生条件［４１］．シース電位差とともにシース電場に閾値が存在する．

Commentary

Status and Prospects of Arcing in the Magnetic Confinement Fusion Studies

上述のように，アークスポットは!""!方向に運動する

D. Hwangbo

ポットの集団化が起きず，厚さが増加することにより集団が，ナノ構造上ではさらに特有のランダム運動性が観測さ化が発生することがわかる（図７（c）と（d））．

れている．ランダム運動の指標として梶田ら［５１］はフラク

一方，アークプラズマの温度および密度を評価する試み

タル次元に注目し，アーク痕のスケール長で異なるフラクも行われている．しかし，スポットサイズが小さいことにタル次元を持ち，微視的には完全なランダム運動をし，巨より，未解明の点が多い．一般的に，アークプラズマは局視的には !""! 方向に運動することを明らかにした．ま所的で高密度な金属蒸気プラズマであり，局所的熱平衡状

た，磁場強度によりスポットの直進性が増し，ナノ構造厚態（Localized thermal equilibrium, LTE）であることが知さの増加とともに図３（b）のようなスポットの集団化が進られる［１０］．したがって，W 線スペクトルのボルツマン

み，微視的なランダム運動性がより大きくなることを示し

プロット法を用いて電子温度が評価できる．一方，西島らた．ナノ構造の厚みや外部磁場強度などの変化に対するス［５４］により W 線スペクトルのシュタルク拡がりが計測さ

ポットの運動特性は，外部磁場の影響を考慮したモンテカ

れ，アークプラズマの電子密度も評価された．図８（a）はボルロシミュレーションにより模擬された［５２］．

ルツマンプロット法により評価したアークプラズマの電子

ナノ構造厚さによるスポットの集団化はスポットの巨視

温 度 の ナ ノ 構 造 厚 さ 依 存 性 を 示 す［５５］．電 子 温 度 は的運動速度にも影響を及ぼす．図６は異なる厚さを有する

0.5−1.5 eV であり，ナノ構造厚さの増加とともに減少す

ナノ構造層を通るアークスポットの運動変化を高速カメラる．一方，図８（b）に示すアークプラズマの電子密度はナで計測したものである［５３］．試料表面には上部 1 μm，下ノ構造厚さの増加とともに上昇する．図８（c）
はサハ−ボ

部 5 μm のナノ構造層が形成されており，アークスポット

ルツマン方程式を用いて計算した W 一価イオンと中性粒の運動は境界を横切った瞬間から著しく変化している．ナ子の比率であり，ナノ構造厚さの増加とともにアークプラノ構造層が厚い領域では集団化したスポットの進行によりズマの平均電離度が減少することを示す．これらの結果

アーク痕の幅は広く，速度は遅い．それに対し，ナノ構造

は，アークスポット上においてナノ構造厚さの増加により層が薄くなると，スポットの集団化は見えなくなり，アー

金属蒸気の発生量が増大し，電子と W 蒸気間でエネルギー

ク痕の幅は数分の一程度に細くなると同時に速度は数倍程の緩和がより活発になることを示唆する［５５］．

度に増加する［５３］．図７は He プラズマパラメータおよびアーク電流を同一とした時のアーク痕の様子を示す．図７（a）と図７（b）のように，ナノ構造厚さ 1 μm ではアークス

図６

磁場と平行なナノ構造表面で自走するアークスポットの発光［５３］．ナノ構造厚さの変化に反応し運動の形態も変化す
る．

図７

磁場と平行なナノ構造面状のアーク痕．（a）と（b）
は厚さ1 μm，（c）と（d）
は厚さ 3.5 μm 上のアーク痕を示す．

図８

２２５

アークプラズマの（a）
電子温度，（b）
電子密度，（c）
サハ−
ボルツマン方程式から推定した一価イオンと中性粒子の比率のナノ構造厚さ依存性［５５］．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.4 April 2021

３．
５ ナノ構造上でのアーキングによる材料損耗

３．
６ ナノ構造上でのアーキングの理論的解析

アーキングによる材料損耗の指標としては，第２章で述上述のように，定常プラズマ―金属間のアーキングはナ

べた単位電荷当たり損耗量（mg/C）とともに単位時間当ノ構造を媒体として主に実験的な手法で研究されてきた．

たり損耗量（mg/s）も良く用いられる．上述のように，ナ

一方で，真空アークの長い歴史で作り上げられた理論を用

ノ構造厚さの変化によりアークスポットの挙動および金属

いてプラズマ−金属界面での単極アークを説明する試みも蒸気の生成量は大幅に変化する．これらは，材料の損耗量

さ れ て き て い る．Barengolts ら は 梶 田 ら の 実 験 結 果 をの変化にもつながる．図９はアーク電流およびナノ構造厚Ecton モ デ ル［９］を 用 い て 説 明 し た［５６］．そ こ で は，ス

さの変化に対する質量損失量の依存性を示す［４７］．まず，ポットが電流の集中によるジュール加熱で爆発に至るまで

ナノ構造の生成により，材料の単位電荷当たり損耗量は最の間に投入される電流密度の積算が重要な指標として扱わ

小でも 0.5 mg/C 程度となり，平面 W の場合（〜20 μg/C

れる．ナノ構造 W の場合，質量密度の減少，熱拡散・伝導［１０］）に比べ大幅に増加することがわかる．これは，ナノ率の減少により臨界温度に達するために必要な電流密度は構造の熱・電気的特性に加え，高い空孔率により破壊され平面 W に比べ格段に低いことで，熱の伝播速度とクレータやすい性質に起因すると思われる．

の拡大速度のつり合いで決定されるクレータ半径の計算値

ナノ構造厚さが一定（〜2 μm）の時，単位時間当たり損が実験結果と同程度であることを示した［４７］．また，ナノ耗量はアーク電流とともに増加するのに対し（図９（c）），

構造層の厚さがある程度以上になる時，スポットが同じ領

単位電荷当たり損耗量はアーク電流変化に依存しないこと

域で点弧を維持することでスポットの集団化が進行し，がわかる（図９（a））．一方で，アーク電流がより大きな値

アーク痕の幅が広がりスポットの移動速度が減少することで一定（〜7 A）の時，単位電荷当たり損耗量はナノ構造厚も Ecton モデルを用いて説明された［５７］．これらの試み

さが 2 μm を超えると著しく増加し，1.6 mg/C に達していは，プラズマシースを介する単極アーク環境も本質的に真る（図９（b））．供給された電荷量が一定の条件における損

空アークの理論が適用可能であることを示すものであり，耗量の増加は，表面から荷電粒子以外の形で飛び出した W

その重要性は高いと言える．

粒子の量が増加したことを意味する．図８（c）のように W

４．今後の展望

中性粒子の比率が増加したことを考えると，蒸発して電離しない W 粒子の量が増加したことが示唆される．一方，厚ITER のダイバータ板は現存のトカマク装置より高い熱さ 2 μm を境界に損耗量のジャンプが起きることは W 粒子

負荷を定常・間欠的に経験する．De Temmerman らは Wの蒸発以外の損耗機構が存在する可能性を示す．図７（d）の損傷が支配的な外側ダイバータのストライク点付近におで示すようなアークスポットの集団化は厚さ 2 μm を超えいてナノ構造が生成可能な入射イオンエネルギー

る時点で発生する［４７］．これらの結果から，ナノ構造が厚（＞20 eV）および表面温度（＞1000 K）条件を満たす領域

い場合はスポットが同一の場所で継続的に点弧することにが存在することを示した［５８，５９］．

よりその集団化が進行し，形成されたアークプラズマのも

本解説では，He プラズマ照射がもたらす W 表面変化とつ圧力が隣合うナノ構造を機械的に破壊し，droplet の形

して繊維状ナノ構造に関連したアーキング研究を取り上げ

で W を放出する機構が提案された［４７］．

た．一方，最近の研究で，He イオンがもたらす W 表面変

図９

アーキングによる材料損耗率のナノ構造厚さ依存性［４
７］
．（a）
と（b）
は単位電荷当たり損耗量，（c）と（d）は電位時間当たり損耗量を示す．（a）と（c）
はナノ構造厚さ 2 μm における損耗率のアーク電流依存性を，（b）と（d）
はアーク電流 7 A における損耗率のナノ構造
厚さ依存性を示す．

２２６

Commentary

Status and Prospects of Arcing in the Magnetic Confinement Fusion Studies

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図１
０ ヘリウムプラズマにネオンガス（１５％）を添加時生成された ナ ノ 構 造 バ ン ド ル（NTBs）．入 射 イ オ ン エ ネ ル ギ ー
200 eV，照射量 2×1025 m−2 である．

化には未だ解明されていない部分が多いことが示されている．そこには表面からの W のスパッタリング，または表面への堆積が重要な役割を果たす．図１０は He に Ne を１５％混合させたプラズマを W 表面に照射したときに生成される，
ナノ構造バンドル（nano-tendril bundles, NTBs）の例を示
す．表 面 に 一 様 に 分 布 す る ナ ノ 構 造層 と 違 っ て，高 さ100 μm に及ぶ巨大化した構造が表面上に分布する特徴を有する．NTBs は W のスパッタリングと再堆積により選択的に成長すると考えられている［６０］．孤立した突起状の形状の発達により，熱の拡散を通常のナノ構造よりも低下さ
せ，電 界 電 子 放 出 を 大 幅 に 増 加 さ せ る［６１］．ゆ え に，NTBs 上では間欠的熱負荷の印加が無くてもアーキングが発生できる［６２］．NTBs 構造は試料温度 1200 K 以下［６３］でも生成可能であることが示されている．さらに，W の堆積が支配的な場合には，表面構造の成長は通常の１０００倍程度まで速くなることも近年示されている［２５］．
核融合研究分野において，リミター配位からダイバータ
配位へ移り変わった後の数十年間は，アーキングは炉壁損
耗源・不純物発生源としてスパッタリングに比べ無視できるとされてきた．しかし，核融合反応生成物として必ず存在する He イオンおよびダイバータ冷却のための冷却用ガ
ス，また W 表面からのスパッタリングと再堆積プロセスが成す複合的な環境下では予期せぬ表面変化が起こる可能性がある．したがって，今後のアーキング研究は潜在的な W
表面変化がもたらすアーキング点弧特性を精査し，炉壁の損耗と不純物の生成に占めるアーキングの割合や影響を明らかにする必要がある．

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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.4 April 2021

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!!!!!!!!!!!!!!!!

ふぁん

ぼ

ど

ぎゅん

皇 甫 度 均!!!!!!!!!!!!!!!!

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筑波大学数理物質系物理学域 助教．２
０１
９
年に名古屋大学大学院工学研究科 修了．
博士（工学）．ヘリウム‐冷却用ガス混合プ
ラズマが引き起こす金属表面変化と相互作用による材料物質の放出現象や，金属表面変化の核融合炉の中でのあり方に興味があります．大気圧低温プラズマも少しずつ勉強しています．つくばのラーメン屋でつけてきた体重をどうやって減らすかが最近のもっともの悩みです．

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