The fuel particle balance during long duration discharges in the Q-shu University Experiment with steady state spherical tokamak (QUEST) was investigated. QUEST has all-metal plasma facing walls (PFWs) that were temperature controlled during the experiments. The presence of a transport barrier for hydrogen (H) at the interface between a plasma-induced deposition layer and metallic substrate was confirmed by nuclear reaction analysis with exposing deuterium plasma. An effective method to evaluate global hydrogen flux to PFWs is proposed, taking advantage of the nature of wall saturation. The outgoing flux of fuel particles from the PFWs just after the plasma termination was proportional to the square of wall-stored H, which indicates that enhanced recombination of solved hydrogen played an essential role in dynamic retention and was in agreement with predictions from the H-barrier model. A simple calculation based on the combination of wall modelling and rate equations of the H states denoted a significant impact of wall modelling on the time response of the plasma density. Hence, a proper wall model including the effects of the deposition layer creating the H barrier is required to be developed, even for all-metal PFW devices.
九州大学における定常球状トカマク実験装置QUESTでの長時間放電中の燃料粒子バランスを調査した。QUESTは、実験中に温度制御された全金属製プラズマ対向壁を有する。重水素プラズマを用いた核反応解析により、プラズマ堆積層と金属基板の界面における水素の輸送障壁の存在を確認した。壁飽和の性質を利用した、プラズマ対向壁への有効な水素フラックス評価法を提案した。放電終了直後のプラズマ対向壁からの燃料粒子の放出フラックスは、壁に蓄積された水素量の二乗に比例し、これは水素の再結合が動的保持において本質的な役割を果たしていることを示し、水素障壁モデルによる予測と一致した。壁モデリングと水素状態のレート方程式を組み合わせた簡易計算により、壁モデリングがプラズマ密度の時間応答に有意な影響を与えることが示された。したがって、全金属製プラズマ対向壁装置においても、水素障壁を形成する堆積層の効果を含む適切な壁モデルの開発が必要である。