国立大学法人九州大学 応用力学研究所

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共同研究装置の概要

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5-2. 核融合力学分野

(1) プラズマ境界力学実験装置(QUEST)の概要

担当者:花田 和明(問い合わせ先)

 本計画は、トカマク装置より高ベータ運転が可能な球状トカマク装置の長時間の運転領域の開拓とそれを支える学術基盤を構築することであり、高性能核融合炉の可能性の拡大に貢献しようとするものです。 超長時間化研究は、定常球状トカマク炉の成立性を高める重要研究課題であるとともに、磁場核融合装置共通の学術的知見として必須の要素を数多く含んでいます。QUEST では、主な研究課題として

  1. 高ベータ定常化の学術基盤研究として、トカマクよりも高ベータの達成が可能な球状トカマクの定常電流駆動及びプラズマ生成に関する研究 特に高密度・高誘電率プラズマにおける新しい電流駆動法(電磁波・静電波モード変換)の開発と実証
  2. 球状トカマクの特徴的磁場配位に適合するダイバータ開発研究、および長時間運転での粒子・熱負荷制御法の確立
  3. 定常運転の学術基盤として、壁温度制御による長時間運転での粒子循環制御、および先進壁制御とプラズマ性能の総合的研究

目標パラメータとして、

  1. 第I期目標(準定常:Ip=20-30 kA, P=450kW)
  2. 第II期目標(準定常:Ip=100 kA, n=0.4 x 1019m-3, P=1MW)(パルス:Ip=300kA, n= 4 x 1019m-3, P=3MW)

であり、緒元は以下のとおりです。

◆ QUEST
項 目 仕 様 到 達
大半径 0.68 m 0.68 m
小半径  0.40 m 0.40 m
アスペクト比 1.70 1.4
非円形度 1.6 ~ 1.2
トロイダル磁場 0.25T(R = 0.6m、定常)
0.5T (R = 0.6m、パルス)
0.25T 定常
プラズマ電流 ~0.02MA (第Ⅰ期),
~0.1MA (第Ⅱ期)
0.01MA 0.7秒(第1期)
0.07MA 28GHz 140 kW(第2期)
放電持続時間 定常 5kA 2時間14分 40kW(第2期)
真空容器外径 直径 2.8m 高さ 2.8m 高温壁設置(100度-500度)

QUEST

◆ 電流駆動装置
項 目 仕 様
周波数 8.2 GHz
クライストロン数 8基
出力 < 200 kW
Pulse CW
導波管数 8×2×2
導波管口径 4×35 mm2
隣接導波管の間隔 5 mm
電力密度 8.6 kW/cm2
真空窓 サファイア窓
項 目 仕 様
周波数 28 GHz
デマイロトロン数 1基
出力 < 350 kW
Pulse < 1 sec
真空窓 サファイア窓
項 目 仕 様
周波数 2.45 GHz
クライストロン数 1基
出力 < 50 kW
Pulse CW
真空窓 アルミナ窓

(2) 各種計測機器の概要

計測機器等 目 的 仕 様
フラックスループ プラズマ位置制御  
超高真空排気システム プラズマ真空容器真空排気  
赤外線カメラ リミター温度計測 JTG-5600
多チャンネル可視分光システム Hα線強度の空間分布計測  
可視分光器 電離,Zeff,不純物流入解析 P-250,G-500
マイクロ波干渉計 線平均電子密度計測  
プラズマ回転計測装置 プラズマ回転計測 分光器(焦点距離:1m)
冷却型CCD
可動チャンネルラングミュアプローブ SOL 電子温度、SOL 電子密度  
ガス導入システム ガスパフ入射,フローメータ H2, He
イオンゲージ 高速ガス圧測定、予備電離  
接線硬X線波高分析システム 接線硬X線スペクトル  
TV カメラ プラズマ断面映像  
1) 硬X線計測システムの概略
◆ 硬X線計測システム主要諸元
項 目 仕 様
空間チャンネル数 1 ch
エネルギーチャンネル数 1024 ch
エネルギー分解能 1.2KeV @122KeV
サンプリングタイム 1ms 以上の範囲で任意に設定可能
測定エネルギー領域 2 ~ 200 keV
2) 4mm 波帯マイクロ波干渉計の概略
◆ 4mm 波帯マイクロ波発振器性能
項 目 仕 様
発振器型式 逓倍方式(9.3 - 75GH)
発振器型名 米国 ミリテック社製 AMC-12RHOA 型
発振周波数 75 GHz
発振出力 0.2 W
干渉計方式 ヘテロダイン式
検波器 高調波ミキサー,位相検出器
3) 可視分光器の概略
◆ 可視分光器の主要性能 分光器種類:P-250
項 目 仕 様
焦点距離(mm) 250
口径比 F = 4.5
逆線分散(Å/mm) 30
波長分解能(Å) 0.6
波長読み取り精度(Å) ±3
波長再現性(Å) 1

(ただし、波長分解能は 5460.74 [Å] における半値幅)

4) 可動ラングミュアプローブ計測装置の概略
◆ 可動ラングミュアプローブ計測装置主要性能
項 目 仕 様
材質 タングステン
融点 3387 ℃
電極寸法 2.0 mmφ
プローブ印加電圧 -100 ~ 100 V
掃印時間 1 kHz
チャンネル数 8
可動距離 真空容器表面から 34 cm
5) プローブアレイ
◆ ダイバータ
項 目 仕 様
チャンネル数 48
電極直径 3.0 mm
電極露出長さ 1.0 mm
配列範囲 R = 364.75 ~ 814.75 mm
仕様 トリプルプローブ
プローブバイアス電圧 -54 V
サンプル周波数 < 10 MHz
◆ センタースタック
項 目 仕 様
チャンネル数 15
電極直径 5.0 mm
配列範囲 上部 Z = 350 ~ 550mm,中部 Z = -100 ~ 100mm,下部 Z = -550 ~ -350mm
計測信号 イオン飽和電流 / 浮遊電位
プローブバイアス電圧 -54 V
サンプル周波数 < 10 MHz
6) プラズマ分光計測装置
◆ 分光器性能
項 目 仕 様
分光器 アクトン社 AM-510
分光器型式 チェルニターナー型
焦点距離 1 m
口径比 F/8.7
逆線分散 7.4 Å/mm
波長域 1850-8000 Å
波長分解能 0.12 Å
◆ 検出器性能
項 目 仕 様
検出器型式 ICCD-1024MLD(イメージインテンシファイヤー付CCD)
検出器面積 23.5 mm × 6.7 mm、900 × 256ピクセル
冷却方式 ペルチェ素子冷却型
◆ 集光系性能
項 目 仕 様
光ファイバー 25本(レンズ付,コア径 200μm)
レンズ焦点距離 8 mm

(3) 炉材料評価・試験装置の概要

担当者:渡辺 英雄(問い合わせ先)

 核融合炉等の先進炉材料の開発や既存原子炉の安全研究には、高エネルギー中性子負荷による試料の放射化のため、放射性物質(RI)管理区域内での試料の取り扱いが必要となります。核融合力学部門では、平成25年度から馬出地区において RI の取り扱いが可能な実験装置の整備を進めています。RI の取り扱いには、核種と量の制限並びに教育訓練が必要ですので、事前にご相談ください。

 なお、1-1)及び2-1)は、九州大学中央分析センターに共同利用機器として登録しており、使用にあたっては、利用料金が発生します。詳細につきましては、下記URLを参照ください。

 中央分析センター : http://bunseki.kyushu-u.ac.jp/bunseki/pricelist

1) RI管理区域内実験装置(馬出地区設置)

1-1)原子分解能分析電子顕微鏡(球面収差補整機能付き)

 核融合炉材料評価には、高分解能の組織観察と同時に微小領域の分析及びマッピング機能を有する電子顕微鏡が必要で、本収差補整機能付きの電子顕微鏡は RI 管理区域内に導入された電子顕微鏡としては、国内最高レベルの分解能並びに分析機能(EDS 及び EELS)を有しています。

 本装置は、プラズマ材料相互作用の研究には不可欠な低元素分析に特化した EELS 機能を有しています。また、電子銃に冷陰極タイプを採用することにより、さらなる分解能の向上が期待されます。

項 目 仕 様
分解能 0.1 nm(HAADF)
加速電圧 80 - 200 KV可変
ガンの構成 冷陰極タイプ
EDS 分析機能 100 mm2(ドライSDD)
EELS 分析機能 EnfiniumSE

1-2)その他の装置

 上記装置の他に、管理区域内には、走査型電子顕微鏡(SEM)、電子顕微鏡試料作製装置(テヌポール)、PIPSII及び各種の材料試験装置(硬さ試験等)を設置しています。

2) RI管理区域外実験装置(筑紫地区設置)

2-1)重イオン照射システム

(高エネルギーイオン発生装置)

 タンデム型1MV加速器。ラザフォード後方散乱(RBS)、PIXEなどの分析機能及び高エネルギーイオン照射機能を有し、プラズマ対向材の非破壊分析や照射損傷の研究に用います。平成28年度より軽イオン源ビームラインを新たに追加し、国内では唯一の3重イオンの照射装置です。

項 目 仕 様
昇圧方式 コッククロフト回路方式
ターミナル電圧範囲 0.1 ~ 1.0 MV 連続可変
最大ビーム電流 4He2+ 0.5 pmA (3.0 MeV時)、58Ni3+ 2.0 pmA (4.0 MeV時)
分析機能
ラザフォード後方散乱(RBS)、チャンネリング、反跳粒子分析(RED)、
粒子励起X線放射(PIXE)
照射機能 Niイオン等による数 100 dpa の重照射
照射温度範囲 室温 ~ 800 ℃

(制御イオン注入装置)

 本装置は、水素、重水素、ヘリウムの低エネルギーイオンビームを高温高真空で照射し、重イオンとの複合同時照射が可能です。

項 目 仕 様
加速電圧 0.5 ~ 30 kV
イオン源 デュオプラズマ型
イオン種 He , H , D
照射温度範囲 室温 ~ 600 ℃

2-2)その他の装置

 上記の装置のほか、走査型電子顕微鏡、超微小硬度計、熱放出ガス分析装置、イオンミリング装置、反射率測定装置、直線磁場プラズマ装置などが利用できます。

(4) 核融合炉材料実験装置の概要

1) 電子ビーム熱負荷発生装置

 3kW電子ビーム発生装置。定常プラズマ放電装置のダイバータ板、リミター材、第一壁材料等への熱負荷を模擬し、溶融、蒸発、破壊などの基礎研究や耐熱材料の評価試験に用います。

項 目 仕 様
電子ビーム源 ピアス型電子銃
電子ピームエネルギー 最大 20 keV
電子ピーム量 最大 150 mA
電子ピーム径 1 ~ 20 mmφ
照射時間 0.1 秒 ~ ∞ 秒
到達真空度 5×10-8 Torr(ターボ分子ボンプ)
◆ 付属装置
項 目 仕 様
サーモビュア 2次元表面温度測定、最高3000℃
放射温度計 2色式,450 ℃ ~ 1100 ℃,1000 ℃ ~ 3100 ℃
四重極質量分析器 放出ガス・原子分析,m/e = 1 ~ 400
イオン銃 水素同位体照射,0.5 keV ~ 5.0 keV
可視分光器 放出原子分子測定
2) 差動式昇温脱離分析装置

 高真空下に置かれた試料を一定速度で加熱させながら、脱離していく化学種による圧力や脱離化学種の量変化を、質量分析計により分析する。固体表面の吸着種の同定や、吸着量や吸着状態、表面からの脱離過程等の情報が得られる。また、試料導入室と加熱室は、それぞれの排気されているため、軽水素の分析も可能である。

◆ 付属装置
項 目 仕 様
質量分析器 四重極質量分析器(SEM付:1 ~ 100 a.m.u.)
加熱温度 ~ 1400 ℃
試料サイズ 10 mm*10 mm*50 mm(最大)
3) 材料実験用試料搬送装置

 球状トカマクQUEST装置の真空容器壁近傍に、真空を破ることなく迅速に試料を出し入れするための装置で、材料のブラズマ照射による損傷や水素吸蔵、不純物堆積の研究に用います。

◆ 付属装置
項 目 仕 様
到達圧力 2×10-8 Torr
試料装着用ヘッドサイズ 30mm×30mm×50mm
冷却能力 1.5kW以上
温度計測熱電対 6対

(5) 乱流プラズマ実験装置(PANTA)の概要

 PANTA(Plasma Assembly for Nonlinear Turbulence Analysis)による直線磁化プラズマ実験により、プラズマ乱流の基礎研究が行えます。PANTAでは全長 4m、半径 6cm のプラズマを生成します。超多チャンネルのラングミュアプローブアレイにより乱流の時空間構造(例えばストリーマー)を高時間・空間分解能で観測できます。

項 目 仕 様
本体 直径 0.45 m,長さ 4 m,背景真空度 ~1×10-4 Pa
制御装置 ヘリコン波電源(1 - 10 MHz,10 kW),電子サイクロトロン波電源(2.45 GHz,5 kW)
プラズマ ヘリコン Ar プラズマ:磁場強度 < 0.15 T,電子温度 2-4 eV,電子密度 0.2-1 x 1019 m3
計測器 マノメータ,四重極分析器,ラングミュアプローブアレイ(空間分解能 4 mm,時間分解能 1 μsec)
プローブは最大 192ch まで同時計測可能。

(6) プラズマ乱流ドックの概要

 プラズマ乱流を精密に計測する装置です。PANTA にインストールされており、光、レーザー、マイクロ波を用いる事でプラズマに摂動を与える事無く高時間・高空間分解能で乱流構造を観測できます。また、取得した大規模データの保存及び解析が可能です。

項 目 仕 様
先進能動乱流計測 マイクロ波コムドップラー反射計(12-26 GHz,コム間隔 0.5 GHz)
乱流画像計測装置 多波長乱流トモグラフィー(4 波長,各波長 132ch),
LIF 装置 (レーザー中心波長 668.6138 nm,20 GHz 掃引,検出光中心波長 442.6nm)

 

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