プラズマ装置のためのメンブレンポンプの開発

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核融合装置での使用を想定した、強磁場中で動作する高効率の水素排気ポンプとして、メンブレンポンプが提案されている。これはV、Nb、Taなどの遷移金属の膜(メンブレン)が水素原子をよく透過させる性質を利用したポンプで、すでに原理実証試験は終了している。しかしこのポンプは金属膜の表面の状態が重要であり、実際に核融合装置で使用する場合は不純物が表面に与える影響が重要であると考えられる。本研究は、不純物、特に核融合装置を想定して炭素と鉄が、メンブレンポンプにどのような影響を与えるかを調査したものである。本研究では、プラズマがメンブレンに与える影響を調査するため、プラズマ-メンブレン試験装置(PMTD)を用いて実験を行った。PMTDの中央にはニオブ製のメンブレンが置かれ、まわりを取り囲むようにプラズマが生成される。今回の実験では、PMTDの内部にステンレス鋼ないし炭素板のターゲットを配置し、電場によってプラズマを加速してプラズマ粒子をターゲットに衝突させてターゲット材料を飛ばして、メンブレン表面に付着させた。これは実際に核融合装置で起きると思われる現象を模擬している。結果は予想した通り、鉄、炭素ともにメンブレン表面への付着は一般に透過水素量を減らす効果を生むことが観測された。しかし、同じ実験を異なる温度条件で行うと、温度が高いほど表面不純物の影響が小さくなり、メンブレンの温度が800℃以上では、不純物の影響はほとんど観測されなかった。よって、適当な温度条件で運転すれば、実際の核融合装置においても、メンブレンポンプは連続的に使用が可能であることがわかった。