ダイバーター熱流束分布モニタリングシステムの開発
大阪府立大学 地域連携研究機構 放射線研究センター 松浦 寛人
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研究の目的
核融合炉のダイバーター板は膨大な熱流束を受けるばかりでなく、 プラズマ照射に伴い様々な表面損傷を受ける。そのため 計測対象の表面状態に依存するIRカメラなどではなく、 熱電対を用いた直接的な高精度熱流束測定法が重要になる。 昨年度までの双方向型共同研究「ダイバータープ ラズマにおける熱流束に関する実験的研究」では 複数のセンターの実験装置を利用したダイバーター熱流束の研究を申請し、より時間応答の 良いサーマルプローブの設計開発を行った。 例えば、熱電対信号へのノイズ対策として、ヘリオトロンJの方向性プローブで用いられている 熱電変換装置をガンマ10にも導入した。 本研究では、これらの研究成果を発展させてガンマ10/PDXにおけるダイバーターモジュール実験 のV字ターゲット表面の熱流束モニターに応用し、 異なる素材や表面状態の熱流束への影響を比較検討する予定である。
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エネルギー反射係数の影響
r8cm
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Figure 1: Ecksteinの経験式で評価したエネルギー反射係数。 (換算エネルギーで整理されたものを、水素イオンが特定の壁材に入射するとして 評価しなおした。)
高村の教科書等にも記載されているのもかかわらず、イオンのエネルギー反射 係数R
iE
についてはこれまで一部の基礎研究者以外に注目されていなかった。 図
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に、Ecksteinがビーム実験のデータを元に提唱した経験式の結果を示す。 壁表面に入射したイオンが中性化し、反射される際に入射熱流束の内、R
iE
が プラズマ側に戻され、壁のバルク材への熱負荷には(1−R
iE
)というファクターが かかることに注意しなければならない。 国内外の プラズマ熱流束の測定結果によれば、 熱流束から逆に推定したエネルギー反射係数が必ずしもイオンビーム実験で の文献値と一致しなかったり、 表面状態によって変化したりすることが報告されており、 今後も研究の余地がある。
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Figure 2: CuおよびWのカロリーメーターヘッド。
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Figure 3: 熱流束の径方向分布。 (#227796〜227803)
昨年度、形状が同じで異なる素材を用いた受熱部を併置した カロリーメーターを作成した。図
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に、その外形を示す。 銅およびタングステン製の受熱部分の大きさは直径13ミリで、実験時には セラミックのカバーで側面からの熱流入を防いでいる。 熱電対の 時間応答を改善するため、受熱部の裏側から穴を開け、 微小パイプを通してK型熱電対の素線を導き、パイプ先端で 温接点を受熱部の穴の底に押し付け固定している。受熱面と熱電対接点の 間隔は2ミリ程度に保たれている。 当然ながら、2つの受熱部は空間的に大きく離れており、熱流束は分布をもつが、 放電ショット毎にカロリーメーターを動かし、鉛直位置Xに対する分布を 比較することにより、受熱面の材質の効果が調べられる。 図
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に、その測定例を示す。 どちらの素材のカロリーメーターを用いても 熱流束のピークの位置 はミラーの対称軸X=0[mm]付近であることが わかる。また、 銅製カロリーメーターで評価した熱流束がタングステン製のそれよりも20% から40%程度大きな値を示し、先のEcksteinのデータから矛盾はない。しかしながら、 カロリーメーターの受熱部を銅と炭素に変えた測定では、両者の熱流束評価値に それほど大きな違いは現在のところ観測されていない。
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光ファイバー温度計の動作試験
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Figure 4: プラズマ放電前後の熱電対および光ファイバー温度計信号のチェック。
前節にも述べたように、ガンマ10のカロリーメーターは 熱電対により温度をモニターしている。 しかし、プラズマ放電前後の熱電対信号に不適切な短パルスノイズ が常時含まれていることが見出されている。 プラズマ放電後500ミリ秒に見られる熱電対信号の 揺らぎは、磁場のみのショットや プラズマガン入射のみ(RF加熱なし)のショットでも同様に見られることから、 磁場コイル電流の立下り に伴う電磁ノイズと考えている。 また、 プラズマ実験 RF加熱が行われている150ミリ秒の放電中にも大きな熱電対信号のジャンプが 見られる。駆動カロリーメーターでこれを見出した当初は、 カロリーメーターが受ける過電流がデータロガーの 一時的動作不能を引き起こしているのではと考えた。しかしながら、 データロガーを共用しているダイバーターモジュールのV字ターゲット板に 取り付けられた熱電対にも同様のジャンプが見られ、チャンネルごとに その大きさが異なることから、やはり電磁的なものの可能性が高い。
今年度、Neoptix社製光ファイバー式温度計のデモ機を借りてガンマ10実験での 使用の可能性を検討した。 光ファイバー温度計の先端にはミリメートル以下のサイズの ガリウム砒素(GaAs)のセンサーが付けてあり、ファイバーを通して照射される 白色光で励起され発光する。この励起光の波長は センサーの温度により変調を受ける。従ってファイバーで取り出された 励起光の波長を分析することによりセンサーの温度を知ることが出来る。 この原理から明らかなように、温度を測定するセンサーと データ解析、記録を行うパソコンは数十メートルの光ファイバーを 介するのみで電磁的には完全に絶縁されると期待される。実際、 同社の温度計はMRIや高周波加熱源の温度モニターとして実績がある。
図
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は、この光ファイバー温度計のセンサーをガンマ10の高周波源 近くに設置し、放電シーケンスと同期してモニターした結果を示す。 データの記録にはGRAPHTEC社のGL900データロガーを 用い、サンプリング周期は10ミリ秒とした。 比較のため、ダイバーターモジュールのV字ターゲットに取り付けられた カロリーメーターの熱電対信号も示している。駆動カロリーメーターほどでは ないものの、時刻50〜250ミリの放電に同期したノイズと、 800ミリ秒あたりのノイズが熱電対信号に認められる。 これに対し、光ファイバー温度計は実験室内の一定温度を 与えており、電磁ノイズの影響は全く見られない。
現在のところ、励起光の分析ソフトの能力限界のため、温度データの サンプリングが100ミリ秒程度であり、ガンマ10の熱流束変化を 測定するという目的にはまだ力不足である。そのため、 熱電対信号に絶縁型の熱電変換モジュールを 用いることも引き続き検討している。
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まとめ
形状が同じで異なる素材を用いた受熱部を併置した カロリーメーターを作成し、ガンマ10プラズマの 熱流束分布を測定した。 銅製カロリーメーターで評価した熱流束がタングステン製のそれよりも20% から40%程度大きな値を示し、エネルギー反射係数の違いを 反映していると考えられる。 ガンマ10の放電条件下で、 光ファイバー式温度計の予備テストを行い。 電磁ノイズを受けずに温度データを与えるカロリーメーターを 設計する基礎データが得られた。
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研究組織
研究代表者 松浦寛人（大阪府大）
研究協力者 坂本瑞樹（筑波大）、 細井克洋（筑波大）、武田寿人（筑波大）、市村和也（筑波大）、
岩元美樹（筑波大）、細田甚成（筑波大）、清水啓太（筑波大）、中嶋洋輔（センター世話人）
永岡賢一（NIFS）、庄司主（所内世話人）
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関連する成果発表
Y.Nakashima et al.: 21st PSI, (Kanazawa, Japan, 2014 May)P1-091.
岩元美樹他：第10回核融合エネルギー連合講演会,（筑波,2014年6月）19-064.
M.Iwamoto et al.: Plasma and Fusion Research 9, (2014)3402121.
M.Iwamoto et al.: 9th OS conference, (Daejeon,Korea, 2014 Aug.)OS4-21.
岩元美樹他：Plasma conference 2014,（新潟,2014年11月）21PA-017.
松浦寛人他：日本原子力学会春の年会（茨城大,2015年3月）予定.
松浦寛人他：物理学会第69回年次大会（早稲田,2015年3月）予定.
Original TeX file is here.
PDF file is here.
File translated from T
E
X by
T
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Hgold
, version 4.00.
On 4 Jul 2015, 11:47.