The first wall is one of the key components in a tokamak, in particular, for DEMO in the future. The conceptual first wall for a DEMO reactor is designed, fabricated and tested in this paper. It has a sandwich-like structure, which consists of a reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) substrate, an interlayer and a plasma-facing material of tungsten produced by chemical vapor deposition (CVD-W) due to its characteristics of high density, high purity and superior thermal shock resistance. The interlayer is required to not only have good adhesion between CVD-W and the CLF-1 substrate, which is a type of RAFM developed by the Southwestern Institute of Physics, but also the capability of tritium transport prevention due to the great importance of controlling the tritium buildup in the first wall, improving the fuel efficiency and conforming to the safety regulations of tritium. Titanium nitride (TiN), a well-known tritium barrier, is selected as the interlayer material in this work. In total, eight sandwich-like first wall samples have been fabricated, and thermal cycle tests and plasma exposure tests are implemented. The results of material analysis show that the quality of the TiN coating layer is critical for good adhesion and tritium prevention. At the defects of the TiN interlayer, fluorine (F) penetrated into the CLF-1 during the CVD-W fabrication and, as a result, the sandwich-like structure was broken near the CLF-1 side. For some samples, the TiN interlayer made by CVD has sufficient adhesion as an interlayer between CVD-W and CLF-1 during tests so far. These encouraging test results support further examination of TiN as an interlayer material for W on an RAFM steel as a first wall material. Preliminary results indicate that the design and fabrication of the conceptual first wall are feasible. Further tests, including the improvement of the interlayer quality and the tritium permeation test, are necessary in the future.
第一壁は、トカマク型核融合炉、特に将来のDEMO炉における主要構成要素の一つである。本論文では、DEMO炉用の概念設計に基づく第一壁を設計、製作し、試験を実施した。この第一壁はサンドイッチ構造を有し、低放射化フェライト/マルテンサイト鋼（RAFM）基材、中間層、および化学蒸着法（CVD）により作製したタングステン（CVD-W）被覆材料から構成される。CVD-Wは、高密度、高純度、優れた熱衝撃耐性という特性を有するため選択された。中間層には、CVD-WとCLF-1基材（西南物理研究所が開発したRAFM鋼の一種）との間の良好な密着性に加え、第一壁におけるトリチウム蓄積の制御、燃料効率の向上、およびトリチウム安全規制への適合が極めて重要であることから、トリチウム透過防止能が要求される。本中間層材料として、公知のトリチウムバリアである窒化チタン（TiN）を選定した。本研究では、合計8個のサンドイッチ構造第一壁試験体を製作し、熱サイクル試験およびプラズマ曝露試験を実施した。材料分析の結果、TiNコーティング層の品質が、良好な密着性とトリチウム透過防止能の確保に決定的に重要であることが示された。CVD-W作製プロセス中にTiN中間層の欠陥部を介してフッ素（F）がCLF-1基材中に浸透し、その結果、CLF-1側近傍でサンドイッチ構造の破壊が生じた。一方、一部の試験体では、CVDにより作製したTiN中間層がCVD-WとCLF-1間の密着性を試験期間中十分に維持した。これらの有望な試験結果は、第一壁材料としてのRAFM鋼上へのWコーティングにおける中間層材料としてのTiNのさらなる検討を支持するものである。予備的結果から、概念設計に基づく第一壁の設計および製作の実現可能性が示された。今後は、中間層品質の改善を含むさらなる試験と、トリチウム透過試験の実施が必要である。