N16/ 日本原子力学会 2009年春の年会 2009.3.24
東京工業大学
JT-60プラズマ対向壁のバルク内への拡散と蓄積
○ 吉田 雅史1 ,田辺 哲朗1
柳生 純一2, 三代 康彦2, 林 孝夫2, 正木 圭2, 仲野友英2, 伊丹潔2
1 九大総理工, 2 JAEA
核融合炉では、炉内へのトリチウム(T)残留量が厳しく制限されて
いるため、Tがどこにどれだけ蓄積しているかを知ることは重要
H+D retention
[x1022 atoms/m2]
JT-60Uでも、ダイバータ、第一壁の表面近傍での水素蓄積に関する
10.0
10.0
データが集積しつつある。
8.08.0
6.06.0
4.04.0
第一壁
2.02.0
再堆積層
損耗
ダイバータ
0.00
D
H
第一壁
損耗
再堆積層
ダイバータ
炉内水素蓄積の定量と予測を目指して
水素蓄積源となり得る領域への蓄積状況を把握する必要性
内部への水素蓄積(バルクリテンション)状況は不明
JT-60Uプラズマ対向壁として用いられた黒鉛
タイル内部の水素蓄積量を測定し、過去に得
られたタイル表面でのものと比較して、その
定量と蓄積機構を明らかにし、蓄積予測を可
能にする。
~タイル測定位置と放電履歴~
第一壁
外側赤道面
ダイバータ損耗部
外側ウィング
OD1,2
FW2,3 (7Fb1)
FW1 (15Ek1)
Inboard
Inboard
試料名
FW1
FW2
FW3
OD1
OD2
放電期間
DD [sec] HH [sec] 最終放電
’92.07–’04.11
56000
6300
HH
’92.07–’03.03
48500
5350
DD
’03.10–’04.11
7500
950
HH
’97.06–’99.10
6000
600
HH
’97.06–’03.03
27000
5400
DD
Temp [K]
600-800
600-800
> 420
1400
1400
~タイル加工と分析条件~
タイル切断と加工
プラズマ対向面
0
3mm
~10mm
~15mm
24mm
10mm
10mm
1mm
黒鉛タイル
昇温脱離法(TDS): HおよびDの蓄積量測定
昇温速度: 0.42 K/s
到達温度: 1273 K (10分間保持)
脱ガス分析:QMS
定量化したガス種: 2(H2), 3(HD), 4(D2), 15(CH4), 19(CHD3), 20(CD4)
26(C2H4), 30(C2H6), 32(C2D4), 36(C2D6), 39(C3H8)
~第一壁(FW3)のTDSスペクトル~
バルク
19
2
Desorped rate [x10 atoms /m ]
表面
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
1
10
0
-1
10
H2
10
10
0
-1
10
HD
-2
10
未照射
1
-3
-2
10
-3
10
10
D2
10
-4
-4
-4
10
400
600 800 1000 1200
Temperature [K]
400
600 800 1000 1200
Temperature [K]
10
400
600 800 1000 1200
Temperature [K]
バルクのDD,HDのスペクトルは表面と比較してかなり少
未照射ではDはほとんど観測されず
タイル内部へ重水素が侵入、蓄積していることを示唆
~第一壁(FW3)深さ方向のH+D蓄積量~
H+D retention [x1022 atoms/m2]
表面よりも蓄積量は少ない。重水素Dの蓄積も確認
4.0
4.0
プラズマ対向面
3.0
3.0
0
D
黒鉛タイル
24mm
3mm
~10mm
~15mm
2.0
2.0
1.0
1.0
H
0.0 0
表面
(0mm)
バルク
(3mm)
バルク
(10mm)
バルク
(15mm)
バルク
(24mm)
未照射
水素(H+D)の蓄積は深さ方向にほぼ一様
バルクでは使用前に比べ加熱脱ガスにより蓄積量が減少
~ダイバータ損耗部(OD2)のH+D蓄積量~
H+D retention [x1022 atoms/m2]
表面よりも蓄積量は少ない。重水素Dの蓄積も確認
4.0
4.0
3.0
3.0
2.0
2.0
1.0
1.0
D
H
0.00
表面
(0mm)
バルク
(3mm)
未照射
バルクでは使用前に比べ、プラズマ照射により蓄積量が増加
H+D retention [x1022 atoms/m2]
~バルクと未照射試料のH+D蓄積量~
最終放電
DD
2.0
2.0
D
1.0
1.0
H
0
0.0
未照射
黒鉛
FW1 FW2 FW3 OD1
OD2
放電履歴に寄らず、バルクでの水素蓄積はHが支配的
バルクへ蓄積したDが周囲環境下のHと同位体置換されたことを示唆
場所による蓄積状況が異なる。
~バルクと未照射試料のH+D蓄積量~
H+D retention [x1022 atoms/m2]
場所による蓄積状況が異なる。
加熱脱ガス
2.0
2.0
<
拡散、蓄積
D
1.0
1.0
H
0
0.0
未照射
黒鉛
FW1 FW2 FW3 OD1
600-800 K
OD2
加熱脱ガス
>
拡散
蓄積
1400 K
加熱脱ガスと放電中の水素取り込みとの競合で増減が決まる
~第一壁蓄積イメージ~
放電中タイル温度
600-800 K
→(粒内拡散≒0、空隙拡散のみ)
対向面近傍
• DDプラズマからの直接入射(粒の深部へ)
• 放電終了後も、周囲環境下のH由来の分子
と同位体置換される。
• 直接入射されたDは残留する。
バルク内部
• 空隙拡散により粒のごく表面に蓄積
• 放電終了後、周囲環境下のH由来の分
子と同位体置換される。
~ダイバータ損耗部蓄積イメージ~
放電中タイル温度
1400 K
→(粒内拡散活発)
対向面近傍
• DDプラズマからの直接入射(対向面
近傍のみ)
• 放電終了後、周囲環境下のH由来の
分子と同位体置換される。
バルク内部
• 活発化した粒内拡散により粒表面より深
い位置へ拡散、蓄積
• 空隙侵入により粒のごく表面に蓄積
• 放電終了後、周囲環境下のH由来の分
子と同位体置換される。
JT-60Uで使用された黒鉛タイル内部への水素蓄積量を測定した。
タイル内部への単位体積あたりの水素蓄積量は、
タイル表面での蓄積量に比べてかなり少ない。
濃度はバルク内ほぼ一様、Hの蓄積が支配的、Dの蓄積も確認。
Dの蓄積は粒界侵入で、粒表面に限定的と考えられ、周辺環境下
のH2或いはH2Oによって、容易に同位体置換されてしまう。
未照射黒鉛の水素保持量と同程度で、加熱による脱ガスとプラズマ
照射中の取り込み(空隙侵入による水素の、粒界表面近傍での捕
獲)との競合で、大小が決まる。
タイル厚、真空容器に占める面積の大きさを考慮すれば、その総量
は再堆積層への蓄積に匹敵する。トロイダル、ポロイダルの詳細測
定が必要である。
~イオンの直接入射と空隙拡散~
Ref: T.Tanabe, et al., JNM 209(1994)109-112
H+D retention [x1022 atoms/m2]
~放電時間とH+D蓄積量の関係~
○ 第一壁表面
4.0
4.00
○ ダイバータ損耗部表面
● 第一壁バルク
3.0
3.00
● ダイバータ損耗部バルク
2.0
2.00
1.00
1.0
0
00
0.00
10000 20000
10000
30000
30000
40000
50000
50000
HH+DD放電時間 [sec]
60000
70000
70000
~第一壁(FW3)のTDSスペクトル~
バルク
19
2
Desorped rate [x10 atoms /m ]
表面
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
1
10
0
H2
CH4
-1
-2
10
10
0
-1
10
10
未照射
1
10
CHD3
HD
-3
-2
10
-3
10
10
D2
10
-4
-4
-4
10
400
600 800 1000 1200
Temperature [K]
400
600 800 1000 1200
Temperature [K]
10
400
600 800 1000 1200
Temperature [K]
~ダイバータ損耗部(OD2)のTDSスペクトル~
バルク
10
1
10
1
10
0
10
0
19
2
Desorped rate [x10 atoms /m ]
表面
CH4
H2
-1
-1
10
-2
10
-3
10
10
-2
10
-4
CHD3 HD
600 800 1000 1200
Temperature [K]
10
0
-2
10
-3
10
D2
10
400
1
-1
-4
10
10
10
-3
10
未照射
400
600 800 1000 1200
Temperature [K]
-4
10
400
600 800 1000 1200
Temperature [K]
H+D retention [x1022 atoms/m2]
~各試料の表面とバルクのH+D蓄積量~
最終放電
DD
4.04.0
最終放電
DD
3.03.0
D
2.02.0
1.01.0
0.0 0
H
表面 バルク 表面 バルク
FW1
FW2
表面 バルク 表面 バルク
FW3
OD1
表面 バルク
OD2
(HD+DD)/Total D retention [-]
~放電時間とガス脱離するDの割合の関係~
0.12
● 第一壁バルク
0.10
0.10
● ダイバータ損耗部バルク
0.08
0.08
0.06
0.06
0.04
0.04
0.02
0.02
0
0.00
0
0
10000
10000
2000030000
30000
40000 50000
50000
HH+DD放電時間 [sec]
6000070000
70000
プラ図目対向黒鉛タイル仕様
第一壁
Sample
Density
[g/cm3]
Grain size
[um]
ダイバータ
IG-430U
ETP-10
CX2002U
1.82
1.75
1.75
9.2
10
60
昇温脱離法
(a) TDS system
1273
IG
IG
QMS
Manipulator
H2, D2, VLB
CH4
300
40 50
時間(分)
0
QMS信号強度 (10-7A)
温度T [K]
昇温条件と脱ガス信号強度(T-900K)、装置外略図
Sample
holder
1.5 mmφ
orifice
210-6 Pa
Pumping speed
measurement system
GV
TMP
8
H2
T=900 K
6
Extra-exhausting
chamber
Sample
Sample holding
Thermoplate
couple
Sample introducing
system
4
2
0
CH4H2O
10
20
CO
30
m/e
CO2
40
50
Ceramic
heater
(b) Sample holder
RP
~タイル放電履歴~
Open divertor
Inner side pumping
Both side pumping
OD1
OD2
FW3
FW2
~573K baking (short pulse operation ~15s)
第一壁:外側赤道面
~420K baking
(long pulse operation ~60s)
プラズマ対向面
0
3mm
~10mm
~15mm
黒鉛タイル
外側ダイバータ、損耗
FW1
タイル加工模式図
24mm
使用される前の蓄積(全部軽水素)に対して、脱ガスで減少、プラズマ照射で増加、これ
はプラズマ照射中のガス(中性粒子の粒間への侵入による) その証拠の一つとして、ダ
イバータの高温で吸収量が多いことが挙げられる(ガスによる平衡吸収量は温度が高く
なると、減少するが、拡散とのかねあいで、吸収量のピークが1000程度になる
(タイル温度またはTDSピーク温度で整理できないかな?
要検討:非照射試料では粒内、照射試料では粒界にたまって
いることが実験的に示せるとよい、TDSスペクトルの比較
~第一壁蓄積イメージ~
放電中タイル温度
600-800 K
→(粒内拡散≒0、空隙拡散のみ)
対向面近傍
• DDプラズマからの直接入射(粒の深部へ)
• HH放電中、粒深部に打ち込まれたDはHと
置換できず
• 放電終了後も、周囲環境下のH由来の分子
と同位体置換される。
バルク内部
• 空隙拡散により粒のごく表面に蓄積
• DD後のHHによりほとんどDとHは置換
• 放電終了後も、周囲環境下のH由来の分
子と同位体置換される。
~ダイバータ損耗部蓄積イメージ~
放電中タイル温度
1400 K
→(粒内拡散活発)
対向面近傍
• DDプラズマからの直接入射(対向面
近傍のみ)
• HH放電によりDとHほとんど置換
• 放電終了後も、周囲環境下のH由来
の分子と同位体置換される。
バルク内部
• 活発化した粒内拡散により粒表面より深
い位置へ拡散、蓄積
• 空隙侵入により粒のごく表面に蓄積
• DD後のHHによりほとんどDとHは置換
• 放電終了後も、周囲環境下のH由来の
分子と同位体置換される。
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発表VG - JAEA