2021年4月21日 | 研究成果 プラズマ実験以外で起こる壁の損傷を発見
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左の写真はグロー放電洗浄前の計測器の部品です。グロー放電洗浄後は、右の写真のように大面積のアーク痕が形成されました。アーク痕はアルミの上にはありますが、ステンレスの上にはありませんでした。
大型ヘリカル装置(LHD)ではプラズマ実験を行う前に、グロー放電で生成した薄いプラズマを張り巡らせて装置の壁や部品を洗浄しています。今回、この洗浄によってある部品から大量の電子が放出したことを示す痕を発見しました。このアーキングの痕は材料が異なる部品では観測されておらず、LHDのグロー放電洗浄が異なる材料でアーキングの発生を分けるような条件であることが分かりました。本成果は、今後使用する機器材料の選定に寄与するものです。

核融合炉にはプラズマと壁が近いところがありますが、そのような場所で条件が揃うとアーキングが起こります。アーキングとは、壁から大量の電子が放出される現象です。壁の近くにプラズマがあると壁付近には電場ができます。その電場はアーキングの発生に必要な電場より弱いことが多いですが、壁の表面に細かい凹凸があったり、酸化したりして誘電率の高いところがあったりすると、電場が弱くてもアーキングが起こりやすくなります。アーキングにより壁が温められると熱電子放出が起こり、壁の温度はさらに上がります。やがて融点に達した壁からは不純物が放出されてしまい、核融合反応を効率よく起こすことが難しくなります。

本研究グループはLHDにおいてプラズマ実験を開始する前に計測器用ミラーのシャッターに大面積のアーキングが発生したことを発見しました。アーキングが発生した場所はアーク痕を観測することでわかります。プラズマ実験の前は、LHDのプラズマ容器の内部の壁をグロー放電洗浄によって綺麗な状態にします。グロー放電洗浄とは薄いプラズマを張り巡らせることです。今回はグロー放電洗浄の際にアーキングが発生しました。これまでLHDではプラズマ実験後にアーク痕を観察し、原因をグロー放電洗浄かプラズマ放電か議論してきたものがほとんどでした。本研究結果はグロー放電洗浄によって誘起されるアーキングの直接的な証拠となります。さらに、アーク痕はアルミの上には残っていますが、ステンレスの上には残りませんでした。このことから、LHDのグロー放電洗浄は、アルミとステンレスという異なる材料でアーキングの発生を分けるような条件であることが示唆されました。

本研究ではアルミとステンレスという材料の違いに注目しましたが、それら材料の物性値(仕事関数や熱伝導率など)や、表面状態(表面粗さや酸化膜の形成など)によるアーキング発生への影響について、今後詳しく調査する必要があります。

本研究は、核融合科学研究所の林祐貴、増崎貴、本島厳らの研究グループと筑波大学の皇甫度均らの協力によって進められ、この研究成果は,Y. Hayashi et al., "Observation of Arc Trails with Significant Damage due to Glow Discharge Wall Conditioning in the Large Helical Device", Plasma Fusion Res.16 (2021) 1202061.として、国際的な核融合論文誌「プラズマ・アンド・フュージョン・リサーチ」に2021年4月21日付けで掲載されました。