The control of fuel inventory, particularly the retention of deuterium (D) in plasma-facing components, is a critical challenge for the safe and efficient operation of fusion devices. This study presents a comprehensive, quantitative analysis of D retention in graphite tiles from the first wall of the HL-3 tokamak, utilizing an integrated diagnostic approach of Laser-Induced Ablation Quadrupole Mass Spectrometry (LIA-QMS) and Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). A Nd:YAG laser (1064 nm wavelength, 6 ns pulse duration, 10 Hz repetition rate) was employed to ablate the graphite surface under high-vacuum conditions, with the released species detected in situ by a quadrupole mass spectrometer. The LIA-QMS system was calibrated to achieve absolute D quantification, while LIBS simultaneously monitored the elemental composition of the ablation plasma. The results reveal detailed spatial distributions of D across the tile surfaces. A distinct retention gradient was observed, decreasing from the divertor region towards the low- and high-field sides. This retention behavior correlates with the operational history of HL-3 and patterns of material migration, suggesting that D retention is primarily driven by co-deposition with eroded materials. The study successfully demonstrates the capability of the combined LIA-QMS/LIBS technique for ex situ, spatially-resolved fuel retention analysis, establishing a quantitative baseline for fuel inventory control. This synergy between the two methods also underscores the potential of LIBS, calibrated by LIA-QMS, for future in situ application and real-time monitoring of fuel inventory in HL-3 and future fusion reactors.
燃料インベントリの制御、特にプラズマ対向機器における重水素(D)の保持は、核融合装置の安全かつ効率的な運転にとって重大な課題である。本研究は、レーザー誘起アブレーション四重極質量分析法(LIA-QMS)とレーザー誘起ブレークダウン分光法(LIBS)の統合診断手法を用いて、HL-3トカマクの第一壁からの黒鉛タイルにおけるD保持の包括的かつ定量的な解析を提示する。Nd:YAGレーザー(波長1064 nm、パルス幅6 ns、繰り返し周波数10 Hz)を用いて、高真空条件下で黒鉛表面をアブレーションし、放出された化学種を四重極質量分析計によってin situで検出した。LIA-QMSシステムは絶対D定量を達成するように較正され、一方LIBSはアブレーションプラズマの元素組成を同時に監視した。結果は、タイル表面全体にわたるDの詳細な空間分布を明らかにする。明確な保持勾配が観察され、ダイバータ領域から低磁場側および高磁場側に向かって減少した。この保持挙動はHL-3の運転履歴および材料移行パターンと相関し、D保持が主に侵食された材料との共堆積によって駆動されることを示唆している。本研究は、ex situでの空間分解燃料保持分析のためのLIA-QMS/LIBS複合手法の能力を実証し、燃料インベントリ制御のための定量的ベースラインを確立する。この2つの手法間の相乗効果は、LIA-QMSによって較正されたLIBSが、HL-3および将来の核融合炉における燃料インベントリの将来のin situ適用およびリアルタイム監視に有望であることを強調する。