博 士 （ 工 学 ） 信 太 祐 二
学 位 論 文 題 名
マ テ リ ア ル プ ロ ー ブ に よ る 大型ヘリカル装置の第一壁挙動解析
学位論文内容の要旨
核融合プラズマのエネルギー閉じ込め時間は、プラズマと第ー壁との問で起こる水素リ サイクリングに影響される。第一壁中の水素保持（リテンション）量が増えると、水素リサ イクリングが顕著になり、閉じ込めが劣化する。DT核融合炉では、安全性の観点から炉内に 蓄積するトリチウム量は制限される。このため、水素リテンションの評価が必要となる。ま た、エネルギー閉じ込め時間は、第ー壁から放出される不純物により減少するので、壁表面 の不純物堆積状態の把握とその制御が必要になる。工学的観点からは、壁の損耗厚がある値 以上になると交換しなけれぱならないので、損耗状態の把握も重要である。これらの観点か ら 、 第 一 壁 の 水 素 リ テ ン シ ョ ン 、 不 純 物 及 ぴ 損 耗 状 態 を 調 べ る 必 要 が あ る 。 本研究では、核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)の第3サイクル実験以降、
第一壁に多数のマテリアルプローブを設置して、その放電ガスリテンションと表面状態の変 化を調べることにより、プラズマ壁相互作用について評価した。プローブ材料として、ステ ンレス鋼、黒鉛、シリコンを用い、一連の放電実験後に取り出して、状態変化を解析した。
プ ロー ブの設置位 置は、ポ ロイダル 方向の6カ 所とトロ イダル方 向の10カ所で ある。
LHDでは、主放電とグロー放電が実施され、放電ガスとして水素とへりウムが用いられ ている。これらの放電でのプラズマ壁相互作用を調べるため、シャッター機構を使い、どち らか一方の放電のみに曝したプローブ試料を作製した。主放電のみに曝したプローブ表面で はカーボンの堆積が顕著であり、グロー放電のみに曝したプローブ表面では第一壁材料であ るステンレス鋼の主成分である鉄の堆積が顕著であった。これらの結果から、主放電プラズ マは主としてダイバータ壁と、グロープラズマでは主として第一壁と相互作用することが分 かった。
主放電あるいはグロー放電のみに曝した場合、ヘリウムの保持・脱離挙動が大きく異な っていた。主放電のみに曝した場合は保持されたヘリウムの大部分は800K以上で脱離し、グ ロー放電では800K以下で脱離した。この脱離挙動の違いを調べるため、北海道大学のECR プラズマ装置を用いて、ヘリウムイオンのエネルギーを変えてプローブに照射して、照射後、
昇温脱離分析でヘリウム脱離挙動を調べた。ヘリウムェネルギーが数lOOeV程度の場合、保 持されたヘリウムは低温領域(800K以下）で脱離するが、3keVの場合では高温領域(800K以 上）で脱離した。この実験結果は、主放電中ではkeVオーダーの荷電交換されたヘリウム粒
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子が捕捉され、グロー放電中では数lOOeVのへりウムイオンが捕捉されることを示し、各々 主放 電 下 での 境 界プ ラ ズ マ計 測 結果とグ ロー放電電 圧に対応 すること が分かっ た。
プラズマ壁相互作用の内壁依存性を評価するため、ポロイダル方向とトロイダル方向 に設置したプローブの状態変化を調べた。ポロイダル方向において、プラズマに近い壁では 放電ガス保持量が多く、プラズマから遠い壁では不純物堆積量が多かった。トロイダル方向 において、水素及びヘリウムガス保持量はアノード近傍で多く、これらのりテンションは主 としてグロー放電時に起こることが分かった。この結果は、壁洗浄に用いられるグロー放電 において、アルゴン等の捕捉されにくいガスを使用するなら、ガスリテンションを低減でき ることを示唆している。
LHDでは第5サ イクル実 験以降、サイクル実験期間に3度のボロニゼーションが行わ れ、プラズマ中の酸素不純物量が桁違いに減少し、プラズマ蓄積エネルギーが更に向上した。
ポロニゼーションの効果を明らかにするため、第6及び7サイクル実験においてボロン膜の トロイダル一様性と酸素捕捉状態を調べた。ボロン膜厚はアノードとジボラン導入用ノズル の近傍において厚く、これらから離れた部分ではボロン濃度は数％程度であった。壁全体の 約30％がボロン化していた。堆積したボロン中の酸素濃度は堆積厚とともに高くなり、酸素 不純物を効果的に捕捉していることが分かった。また、ポロン化の割合が少なくても、プラ ズマ中の酸素不純物量を大きく減少させることが分かった。
以上の結果から、ダイバータ部に黒鉛タイルが設置されてプラズマ中の金属不純物が 減少したのは壁全体がカーポン化されたこと、ボロニゼーション後のプラズマ中の酸素不純 物の減少は壁のボロン化とその酸素捕捉によること、放電ガスである水素とへりウムの捕捉 は主としてグロー放電時に起こること、主放電及びグロー放電のプラズマ壁相互作用は各々 ダイバータ及び第一壁で起こること等、エネルギー閉じ込めに影響を与える新たな知見を得 た。各サイクル実験でのプラズマ壁相互作用の結果は次のサイクル実験に反映され、プラズ マ閉じ込め性能の向上に貢献してきた。
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学位論 文審査の要旨 主 査 教 授 日 野 友 明 副 査 教 授 榎 戸 武 揚 副 査 教 授 板 垣 正 文 副査 助教授 廣畑優子
学 位 論 文 題 名
マテリアルプローブによる
大型ヘリ カル装置 の第一壁挙動解析
核融合プラズマのエネルギー閉じ込め時間は、プラズマと第一壁との間で起こる水素 リサイクリングに影響される。第ー壁中の水素保持（リテンション）量が増えると、水素 リサイクリングが顕著になり、閉じ込めが劣化する。DT核融合炉では、安全性の観点か ら炉内に蓄積するトリチウム量は制限される。このため、水素リテンションの評価が必要 となる。また、エネルギー閉じ込め時間は、第ー壁から放出される不純物により減少する ので、壁表面の不純物堆積状態の把握とその制御が必要になる。工学的観点からは、壁の 損耗厚がある値以上になると交換しなければならないので、損耗状態の把握も重要である。
これらの観点から、第一壁の水素リテンション、不純物及び損耗状態を調べる必要がある。
本研究では、核融合科学研究所の大型ヘリカル装置(LHD)の第3サイクル実験以降、
第ー壁に多数のマテリアルプローブを設置して、その放電ガスリテンションと表面状態の 変化を調べることにより、プラズマ壁相互作用について評価した。プローブ材料として、
ステンレス鋼、黒鉛、シリコンを用い、一連の放電実験後に取り出して、状態変化を解析 した。プローブの設置位置は、ポロイダル方向の6カ所とトロイダル方向の10カ所である。
LHDでは、主放電とグロー放電が実施され、放電ガスとして水素とへりウムが用いら れている。これらの放電でのプラズマ壁相互作用を調べるため、シャッター機構を使い、
どちらか一方の放電のみに曝したプローブ試料を作製した。主放電のみに曝したプローブ 表面ではカーボンの堆積が顕著であり、グロー放電のみに曝したプローブ表面では第一壁 材料であるステンレス鋼の主成分である鉄の堆積が顕著であった。これらの結果から、主 放電プラズマは主としてダイバータ壁と、グロープラズマでは主として第一壁と相互作用 することが分かった。
主放電あるいはグロー放電のみに曝した場合、ヘリウムの保持・脱離挙動が大きく異 なっていた。主放電のみに曝した場合は保持されたへりウムの大部分は800K以上で脱離し、
グロー放電では800K以下で脱離した。この脱離挙動の違いを調べるため、北海道大学のE CRプラズマ装置を用いて、ヘリウムイオンのエネルギーを変えてプローブに照射して、
照射後、昇温脱離分析でへりウム脱離挙動を調べた。ヘリウムェネルギーが数lOOeV程度 の場合、保持されたへりウムは低温領域(800K以下）で脱離するが、3keVの場合では高温領 域(800K以上）で脱離した。この実験結果は、主放電中ではkeVオーダーの荷電交換され たへりウム粒子が捕捉され、グロー放電中では数lOOeVのヘリウムイオンが捕捉されるこ
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と を示 し、 各々 主放 電下 での境界プラズマ計測結 果とグロー放電電圧に対応することが分 かった。
プ ラズ マ壁 相互 作用 の内 壁依 存性 を評 価 する ため 、ポ ロイ ダル 方向 とト ロイダル方 向 に設 置し たプ ロー ブの 状態変化を調べた。ポロ イダル方向において、プラズマに近い壁 で は放 電ガ ス保 持量 が多 く、プラズマから遠い壁 では不純物堆積量が多かった。トロイダ ル 方向 にお いて 、水 素及 びヘリウムガス保持量は アノード近傍で多く、これらのりテンシ ヨ ンは 主と して グロ ー放 電時に起こることが分か った。この結果は、壁洗浄に用いられる グ ロー 放電 にお いて 、ア ルゴン等の捕捉されにく いガスを使用するなら、ガスリテンショ ンを低減できることを 示唆している。
LHDで は 第5サ イ ク ル 実 験 以 降 、 サ イ ク ル 実 験 期 間 に3度 の ボ ロ ニ ゼ ー ショ ンが 行 わ れ、 プラ ズマ 中の 酸素 不純物量が桁違いに減少 し、プラズマ蓄積エネルギーが更に向上 し た。 ポロ ニゼ ーシ ョン の効果を明らかにするた め、第6及び7サイクル実験においてボロ ン 膜の トロ イダ ル一 様性 と酸素捕捉状態を調べた 。ボロン膜厚はアノードとジボラン導入 用ノズルの近傍におい て厚く、これらから離れた部分ではボロン濃度は数％程度であった。
壁 全体 の約30％ がボ ロン 化していた。堆積したボ ロン中の酸素濃度は堆積厚とともに高く な り、 酸素 不純 物を 効果 的に捕捉していることが 分かった。また、ポロン化の割合が少な く て も 、 プ ラ ズ マ 中 の 酸 素 不 純 物 量 を 大 き く 減 少 さ せ る こ と が 分 か っ た 。 以 上の 結果 から 、ダ イバ ータ 部に 黒鉛 タ イル が設 置さ れて プラ ズマ 中の 金属不純物 が 減少 した のは 壁全 体が カーボン化されたこと、 ボロニゼーション後のプラズマ中の酸素 不 純物 の減 少は 壁の ボロ ン化とその酸素捕捉によ ること、放電ガスである水素とへりウム の 捕捉 は主 とし てグ ロー 放電時に起こること、主 放電及びグロー放電のプラズマ壁相互作 用 は各 々ダ イバ ータ 及ぴ 第一壁で起こること等、 エネルギー閉じ込めに影響を与える新た な 知見 を得 た。 各サ イク ル実験でのプラズマ壁相 互作用の結果は次のサイクル実験に反映 され、プラズマ閉じ込 め性能の向上に貢献してきた。
これを要するに、著者は核融合プラズマと第一壁との相互作用に関して新しい重要な結果を 得ており、核融合プラズマ実験に反映させてエネルギー閉じ込め性能の向上に大きく寄与し、
核融合プラズマ工学の発展に貢献した。よって著者は、北海道大学博士（工学）の学位を授与 される資格あるものと 認める。
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