ITER類似壁

ITER類似壁(ITER-like wall、ILW)とは、欧州のトカマクJETにおいて2011年から採用された、ITERと同じ金属系プラズマ対向材料の第一壁システムである。主プラズマ室の壁をベリリウム(Be)、ダイバータをタングステン(W)で構成し、それまで25年以上にわたり使われてきたカーボン(炭素繊維複合材)壁を全面的に置き換えた。ITERの建設材料決定を実機規模の実験で検証するという目的で導入され、金属壁下のプラズマ運転、プラズマ・壁相互作用、燃料(重水素・トリチウム)リテンションに関する世界で最も包括的なデータセットを提供してきた。

概要と動機

JETは1984年からカーボン製プラズマ対向部材で運転されてきたが、炭素には二つの本質的な欠点がある。第一に、水素同位体との化学スパッタリングと共析出(コデポジション)により、プラズマ中の燃料が壁に大量に取り込まれることである。炭素壁でのトリチウム滞留量はITERの安全基準を満たさないと予測され、これが炭素排除の決定的な理由となった。第二に、化学侵食が物質移動サイクル(侵食→輸送→堆積)を支配するため、リモート領域への堆積が避けられないことである。この理解に基づき、JETでは2011年5月の改修で主室にベリリウム製リミタ、ダイバータにタングステンタイル(一部は炭素繊維複合材上にWコーティング)を備えたITER類似壁が導入され、運転が開始された。

JET-ILWの主室リミタタイルの配置を示したのが次の図である。

図はJET-ILWトカマク断面における内壁ガードリミタ(IWGL)、外側ポイダルリミタ(OPL)、上部ダンププレート(DP)の位置を示し、青はILW1またはILW3のキャンペーンで用いられたタイル、赤は3キャンペーンすべてにプラズマ曝露されたタイルを表す。このようなタイルは運転後に炉内から取り出され、侵食・堆積・燃料滞留の事後分析に供された。

ILWの運転は、重水素燃料による3つのキャンペーン(ILW1: 2011–2012年、入力エネルギー150 GJ、ILW2: 2013–2014年、201 GJ、ILW3: 2015–2016年、245 GJ)で進められ、その後も継続した。D-D反応で生成する高エネルギー三重水素が壁に打ち込まれるため、重水素運転のみでもトリチウム滞留の実測が可能であり、ITER級装置でのプラズマ・壁相互作用研究の実験台となった。

壁の設計と材料：ベリリウム主室とタングステンダイバータ

材料選定はITERの設計をそのまま反映している。ベリリウムは原子番号が低く(Z=4)、不純物としてプラズマに入っても放射損失が小さく、プラズマ芯の汚染への影響が炭素よりはるかに小さい。一方で融点が低くスパッタリングされやすいため、主室壁では熱負荷が比較的穏やかなリミタ位置に用いられる。タングステンは融点が最高クラスで高熱負荷に耐えるが、原子番号が高く(Z=74)、わずかにでもプラズマ芯に入ると放射損失でプラズマを冷却するため、ダイバータというプラズマ接触が意図される領域に限定される。

ベリリウム壁は、熱負荷に対する耐久性を確保するため「キャスタレーション(格子状分割)」構造を採用している。これはタイル表面を幅約0.4 mmの溝で小区画に分けるもので、ITERでも同様の構造が計画されている。JETでは溝内部の表面積の合計が約88 m²に達し、プラズマに直接面するリミタ表面(約24.5 m²)の3倍を超える。この溝構造は後述の燃料滞留に重要な意味を持つ。

ILW下の運転経験とシナリオ開発

金属壁への転換はプラズマ運転を大きく変えた。炭素の除去によりプラズマ中の炭素含有量は10分の1以下に減り、有効イオン価数はLモード・Hモードともに1.2–1.4まで低下した。これに伴いプラズマ立ち上げ時の燃え抜け(burn-through)段階での放射が変化し、ブレークダウン失敗はほぼ消滅した。

一方で、金属壁では放射損失が低いため壁への熱負荷が増大し、ベリリウムの過剰なスパッタリングと金属不純物のプラズマ芯への蓄積が主要な運転上の懸念となった。ベースラインHモードおよびハイブリッドシナリオの再確立には、金属不純物源と熱負荷の制御の最適化が必要であった。ガス注入により H98(y,2)≈1、β_N≈1.6 の安定なタイプI ELMy Hモードが達成されたが、ELM頻度が金属不純物蓄積の制御の鍵であることが示された。また、金属壁ではペデスタル温度が炭素壁より低下し閉じ込めが劣化する傾向があったが、窒素シード注入により高いペデスタル温度と閉じ込めが回復できることが見いだされた。このほか、低周波波の結合、ELMペーシング、ディスラプション予測・分類、スクレイプオフ層密度ショルダーの形成など、幅広い運転研究が金属壁条件下で実施された。

ディスラプション対策にも変化があった。金属壁では放射電力が低く電流クエンチが遅くなる一方、壁部材への熱負荷が高まるため、ディスラプション緩和のための大量ガス注入(MGI)の常用使用が不可欠となった。

プラズマ・壁相互作用：燃料滞留と物質移動

ILW導入の最大の科学的成果の一つは、燃料滞留の大幅な低減の実証である。ガスバランス実験により、炭素壁と比べて金属壁での燃料滞留率が大幅に低いことが確認された。金属壁では化学侵食による炭素の共析出がなく、滞留機構が物理スパッタされたベリリウムとの共析出と、高エネルギーイオンの直接打ち込みに変わるためである。

事後分析はこの描像を詳細に裏付けた。ダイバータでは堆積層が厚く形成された内側ダイバータ上部領域に重水素が濃縮しており、堆積層中の炭素不純物含量が高い最初のキャンペーン(ILW1)ほど重水素蓄積率が高いことが分かった。これは炭素が混入すると共析出による滞留が再び強まることを示している。主室のベリリウムリミタでは、重水素はプラズマ対向面そのものより、キャスタレーション溝内部の堆積層中に多く含まれ、溝内の重水素量は主室の全重水素インベントリの最大50%に達しうると推定された。溝の表面積がプラズマ対向面の3倍以上あることが、この寄与の大きさを説明する。

トリチウムの分布はより複雑である。D-D反応で生成する1.01 MeVの三重水素は壁に深く(マイクロメートル規模)打ち込まれるため、主室リミタのプラズマ対向面では、堆積領域よりむしろ侵食支配領域でトリチウム濃度が高い。ここでの滞留量は、高エネルギーで打ち込まれるトリチウム量と、侵食および熱脱離で除去される量との収支で決まる。一方、ダイバータの堆積層ではトリチウムは炭素含量の高い共析出析出層に濃縮していた。

物質移動については、主室(ベリリウム)が主要な侵食源であり、スクレイプオフ層の流れに乗って主に内側ダイバータへ輸送されるという描像が、リミタ配置およびダイバータ配置の分光観測と事後分析の組み合わせで検証された。ベリリウムはダイバータのタングステンタイル上にも堆積し、特に内側ダイバータのストライクライン近傍のタイル1に顕著な堆積が見られた。この堆積分布はWallDYNなどのプラズマ・壁相互作用コードによるモデルリングと定性的に一致する。金属壁では炭素壁と比べて物質移動量とリモート領域への輸送が大幅に減少し、内側ストライクライン領域に純堆積が見られない点など、炭素壁との質的な違いが確認された。

ITERへの教訓

JET-ILWの成果はITERの材料決定に直接影響した。金属壁での安定運転が実証されたことで、ITERは当初から炭素タイルを排し、ベリリウム主室とタングステンダイバータで運転を開始する方針を確定した。また、金属壁下の燃料滞留が共析出支配であり炭素壁より大幅に低いこと、溝構造(キャスタレーション)内部が見かけ以上の燃料インベントリを持ちうること、窒素シードによる閉じ込め回復やELM制御が金属不純物管理の要であること、ディスラプション緩和の常用化が必要であることなど、運転・安全の両面での設計指針がJET-ILWの実績に基づいて固められた。ベリリウム壁・タングステンダイバータから回収されたタイルやダストのトリチウム分析は、欧日協力の下で継続されており、将来のD-T運転に向けたトリチウム会計と材料評価の基礎データを提供している。