高エネルギーヘリウム照射によるプラズマ対向材のブリスター生成機構解明

高能氦辐照阐明等离子体表面材料中气泡形成机制

• 批准号: 21K13900
• 负责人: 内田 雄大
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Nagaoka National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K13900/
• 关键词: 核融合発電; ヘリウム照射; プラズマ対向壁; 電子顕微鏡; ブリスター; タングステン

本年度は，(1)拡散方程式の解析解を導出し，タングステン内のヘリウムの濃度分布を計算し,(2)タングステン試料の初期欠陥を回復させるための管状炉を開発した．(1)これまでヘリウムの挙動を解析には差分法による数値シミュレーションを用いてきた．しかし，実際に核融合システムで入射しうる粒子フラックで試料内のヘリウム拡散挙動を解析するためには，マイクロメートルオーダーの空間を数時間オーダーの時間で解析する必要がある．クーラン条件により空間ステップと時間ステップには制約がかかるため，興味のある結果を得るためには計算コストをかける必要がある．そこで，ヘリウムの蓄積量を大まかに見積もるため，拡散方程式の解析解を導出した．具体的には，拡散源であるヘリウムの濃度分布をガウシアンで近似し，フーリエ変換を用いて導出した．これにより，数日の計算時間を要する計算を瞬時に行うことが出来るようになった．また，得られた数密度を求める式から蓄積されたヘリウムが作る内圧を計算した．同様に実験時の粒子フルエンスから内圧を計算し，比較したところ実験結果とおおよそ一致することを確認した．これはブリスターの内圧から，ブリスターを駆動するために十分な粒子フルエンスと静電加速器の運転時間を見積もれる関係式を得たことを意味する．(2)ブリスターの生成特性は,同じ材料であっても結晶粒径,初期欠陥密度,残留応力,結晶方位などのパラメータに依存する。そこで，アニールにより初期欠陥を回復させるための実験系を構築した．窒素+水素雰囲気で1400度で1時間アニールすることで，多結晶タングステンの再結晶化を確認した．これにより，材料の初期条件によるブリスター生成の依存性を低減できると考えられる．

今年，我们（1）推导了扩散方程的解析解并计算了钨中氦的浓度分布，（2）开发了管式炉来恢复钨样品中的初始缺陷。 (1) 迄今为止，使用有限差分法的数值模拟已被用来分析氦的行为。然而，为了使用实际上可以入射到核聚变系统中的粒子流来分析样品中的氦扩散行为，需要在数小时左右的时间内分析微米量级的空间。由于库朗条件对空间和时间步长施加了限制，因此需要付出计算成本才能获得有趣的结果。因此，为了粗略估计氦气积累量，我们推导了扩散方程的解析解。具体而言，利用高斯近似并使用傅里叶变换导出作为扩散源的氦的浓度分布。这使得执行本来需要几天时间的计算成为可能。我们还使用计算获得的数密度的公式计算了累积的氦气产生的内部压力。同样，我们根据实验过程中的粒子注量计算了内部压力并进行了比较，确认其与实验结果大致相符。这意味着我们已经获得了一个关系表达式，可以根据泡罩的内部压力来估计足以驱动泡罩的粒子注量和静电加速器的运行时间。 (2) 即使在相同材料中，气泡形成特性也取决于晶粒尺寸、初始缺陷密度、残余应力和晶体取向等参数。因此，我们构建了一个通过退火恢复初始缺陷的实验系统。通过在氮+氢气氛中在1400度下退火1小时来确认多晶钨的再结晶。这被认为可以减少气泡形成对材料初始条件的依赖性。

项目成果

炉の特徴：磁場閉じ込めとの比較

炉特性：与磁约束的比较

• 发表时间: 2023
• 作者: Mollabashi Ali;Shiba Noburo;Takayanagi Tadashi;Tamaoka Kotaro;Wei Zixia;玉岡 幸太郎;玉岡 幸太郎;Kotaro Tamaoka;Kotaro Tamaoka;内田雄大
• 通讯作者: 内田雄大

核融合炉壁の損傷評価に着目した拡散方程式の解についての検討

聚变反应堆壁损伤评估的扩散方程求解研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 橋詰雪弥;内田雄大
• 通讯作者: 内田雄大

Blister and Bubble Formation by High-Energy Helium Ion Beam Irradiation into Tungsten for Nuclear Fusion

高能氦离子束辐照钨用于核聚变形成气泡和气泡

• 发表时间: 2021
• 作者: Yuki Uchida;Seiki Saito;Nobuo Saito;Tsuneo Suzuki;Kazumasa Takahashi;Toru Sasaki;and Takashi Kikuchi
• 通讯作者: and Takashi Kikuchi