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「水素同位体ビームによる第一壁燃料ダイナミックスの研究 」の経過報告

1. 序

本研究は、 トリチウムを含む水素同位体と、 第一壁の候補材料と目される各種金属ならびにセラミックス材料の間の相互作用を 広範に調べることを目的としている。 ここでは、単に個々の現象の解明にとどまらず、 第一壁近傍における燃料・不純物の粒子ダイナミックスの評価に 資するデータの取得にも重点が置かれている。

2. 研究の進捗状況(装置の改良等を含む)

(1) 原子状水素ビーム照射下での水素透過挙動

原子状水素を放出する装置を用い、 ニオブ(Nb)における重水素透過を調べた。 Nb は「超透過」性を有するとされ、 ダイバータにおける「メンブレイン・ポンプ」候補材料として期待されており、 実験試料としては多結晶、純度 99.9 % 、厚さ 0.1 mm の薄膜を用いた。 ソースガスとしては重水素を用いたが、 原料ガスの純度が問題となり、ヒータの焼損がしばしば起こったため、 新たに VCR 配管のガス導入系を構築し、 高純度の同時が可能にした。 また、真空的には、 試料容器を超高真空領域に保ったままビーム注入が可能なよう、 ABS 真空容器に加え、ビームラインも差動排気を行うこととした。 実験では、 (1) 試料温度を 950 K で一定とした場合の、 重水素透過速度の ABS 原子化ノズル温度に対する依存性、 (2) ABS 原子化ノズルを一定温度に保持し、 同時に導入重水素ガス圧力を 1 Pa に保持した条件下での、 試料における透過速度の試料温度依存性と、 照射前後での試料表面元素組成比の変化を調べた。

(2)トリチウムビーム注入によるプラズマ対向材料中の水素同位体保持に関する研究

Mo は水素溶解度が小さいためトリチウムインベントリーが小さく、 しかも高融点を有するため、プラズマ対向材料の候補とされている。 今年度は、 トリチウムビーム試験装置(TBTS)を用いて Mo に水素同位体イオンビームを 室温で照射し、 昇温脱離法 (Thermal Desorption Spectroscopy) によって 各水素同位体(H、D、T)について保持量を評価した。 保持量に関しては、 分子量が小さいほど大きく、 また、軽水素と重水素を比較すると、 軽水素の方がより低フルエンスで飽和する傾向にあった。 さらに、 温度 400 K での重水素注入による昇温脱離試験の結果と比較すると、 室温照射の場合に見られた低温側の脱離ピークは見られず、 400 K での照射の方がより低フルエンスで保持量が飽和する傾向にあることを 確認した。

(3) 境界プラズマ-対向材料相互作用下における原子分子過程に関する研究

核融合境界プラズマ中における様々な粒子種の測定するために、 質量分析装置の設計を行い、実験室プラズマ中において、、 等方性黒鉛に高フラックス定常プラズマを照射し、質量分析する実験を行った。 化学損耗によりプラズマ中に混入したと思われる、CH_xイオンのみならず、 C₃H_x、 C₄H_x等もプラズマ中にて観測され、 多原子イオンも多く生成していることが明らかとなった。 また炭化水素種のプラズマ内における輸送過程、再付着過程を記述する モデルを作成し、炭化水素イオンは解離、イオン化しやすく、 かつ対向壁方面へ再付着しやすいことが計算結果より明らかとなった。

(4) 境界プラズマ中の不純物粒子の損耗・輸送に関する研究

プラズマ−壁相互作用により放出される不純物粒子のプラズマ中における輸送挙動は、 プラズマ特性及び壁材料寿命に多大な影響を与える。 そこで、 本実験では電子温度 10 eV、電子密度 10¹⁸ m^-3を有する 境界プラズマ模擬装置 MAP において発生させたプラズマを黒鉛ターゲットに照射し、 放出される不純物粒子の発光スペクトルを様々な条件下で、 回折型分光装置を用いて測定し、 そのデータから放出粒子のエネルギー分布及び密度分布の変化を観測した。 結果として、 放電電流の上昇に伴いプラズマ中の C⁺ 強度及びエネルギーは増加し、 また、ターゲット近傍でシースによって減速されているのも観測された。 さらに、ヘリウムプラズマに水素ガスを導入することにより プラズマ中の C⁺ 強度は減少するが、 CHラジカルの生成量は水素とヘリウムの混合比がほぼ 1:1 までは変化せず、 水素導入量比がこれより上昇することにより顕著なラジカルの増加が観測された。 メタン導入により、 プラズマ上流への輸送においてはイオン化及び減速過程、 下流への輸送にはおいては不純物イオンの加速過程が顕著であることが分かった。 一方、ターゲット近傍に取り付けた基板の印加バイアスの増加に伴い、 プラズマ中の C⁺ 強度は増加したが、基板上の炭素堆積量は減少した。 これは、2次電子の放出による初期バイアス効果の軽減によるものと考えた。

3. 今後の予定

今後の ABS を用いた実験計画としては、 ビームの組成やより詳細なフラックスの決定、 酸素ガスの導入やスパッター洗浄による表面元素組成の積極的な制御を行い、 水素透過速度の制御が可能かどうか検証したい。

4. 発表論文リスト

(A) 学位論文等

1. 松山 征嗣, 「境界プラズマ-対向材料相互作用下における原子分子過程に関する研究」, 東京大学大学院工学系研究科博士論文(1998年3月).
2. 宮内 克己, 「境界プラズマ中の不純物輸送挙動に関する基礎研究」, 東京大学大学院工学系研究科修士論文(1998年3月).

1. V. Bandourko, K. Ohkoshi, K. Yamaguchi, M. Yamawaki, "Reflection, re-emission and permeation of deuterium implanted in Ti-6Al-4V alloy", J. Nucl. Mater. 241-243 (1997) 1071-1075.
2. M. Okada, R. Sato, K. Yamaguchi, M. Yamawaki, "Study on retention of hydrogen isotopes and helium in nickel using tritium beam test apparatus", J. Nucl. Mater. 248 (1997) 72-77.
3. S. Matsuyama, K. Yamaguchi, S. Tanaka, M. Yamawaki, "The experimental study on behavior of carbon-containing molecules in the boundary plasma", presented at 4th Int. Symp. Fusion Nuclear Technology (ISFNT-4), Tokyo, Japan, April 6-11 (1997).
4. K. Ohkoshi, V. Bandourko, K. Yamaguchi, M. Yamawaki, "Deuterium transport behavior in Mo under ion and/or atomic beam irradiation", presented at 4th Int. Symp. Fusion Nuclear Technology (ISFNT-4), Tokyo, Japan, April 6-11 (1997).
5. K. Yamaguchi, O. Onoue, M. Yamawaki, "Study on the release of ion-implanted hydrogen isotopes using tritium beam test apparatus", presented at 6th Japan-CIS Workshop Interaction of Fuel Particles with Fusion Materials, Moscow, Russia, September 8-9 (1997).
6. K. Ohkoshi, V. Alimov, K. Yamaguchi, M. Yamawaki, A. I. Livshits, "Ion- and atom-driven permeation of deuterium through high Z metals", presented at 6th Japan-CIS Workshop Interaction of Fuel Particles with Fusion Materials, Moscow, Russia, September 8-9 (1997).
7. I. V. Vizgalov, V. V. Vaitonis, G. S. Kirnev, N. N. Koborov, V. A. Kurnaev, D. V. Sarytchev, S. Matsuyama, K. Yamaguchi, M. Yamawaki, "Comparative study of the possibility of the PFC materials erosion measurements at imitation facilities MAP and PR-2 with the build-in mass spectrometer", presented at 6th Japan-CIS Workshop Interaction of Fuel Particles with Fusion Materials, Moscow, Russia, September 8-9 (1997).
8. S. Matsuyama, K. Miyauchi, K. Yamaguchi, M. Yamawaki, "Optical and mass spectrometric study on chemical erosion of graphite under the plasma exposure", presented at 8th Int. Conf. Fusion Reactor Materials, Sendai, Japan, October 26-31 (1997).
9. K. Yamaguchi, M. Okada, F. Ono, M. Yamawaki, "Study on retention of hydrogen isotopes in Mo by means of tritium beam experiments", presented at 8th Int. Conf. Fusion Reactor Materials, Sendai, Japan, October 26-31 (1997).

1. 大越 啓志郎, 山口 憲司, 山脇 道夫, 「プラズマ−材料相互作用における表面不純物の効果」, 第1回核エネルギーシンポジウム, 東京, 6月13日 (1997).
2. 松山 征嗣, 山口 憲司, 山脇 道夫, 「定常プラズマ装置を用いた、 化学損耗された分子種のプラズマ内質量分析に関する研究」, プラズマ・核融合学会第14回年会, 25pC-12p, 吹田, 11月25〜28日 (1997).
3. 大越 啓志郎, V. Alimov, 山口 憲司, 山脇 道夫, 「原子状ビーム照射下での Nb 中での水素同位体輸送挙動」, プラズマ・核融合学会第14回年会, 28pB-10, 吹田, 11月25〜28日 (1997).
4. 山脇 道夫, 田中 知, 山口 憲司, 松山 征嗣, 宮内 克己, 「定常プラズマ発生装置を用いたプラズマ中での不純物粒子の損耗・ 輸送に関する研究」, プラズマ・核融合学会第14回年会, 28pB-17, 吹田, 11月25〜28日 (1997).
5. 山口 憲司, 「核融合炉開発における水素透過―その基礎過程ならびに応用」, 弥生研究会:第8回「核融合炉燃料サイクルの基礎過程」研究会, 東京, 3月3日(1998)
6. 大越 啓志郎, 山口 憲司, 山脇 道夫, 「高Z金属膜(Nb)に対するイオン／原子の注入透過挙動」, 弥生研究会:第8回「核融合炉燃料サイクルの基礎過程」研究会, 東京, 3月3日(1998)