| Project/Area Number |
23K03362
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14020:Nuclear fusion-related
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
中村 浩章 核融合科学研究所, 研究部, 教授 (30311210)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
澤田 圭司 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (40262688)
齋藤 誠紀 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (40725024)
森高 外征雄 核融合科学研究所, 研究部, 助教 (20554372)
井戸 毅 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (50332185)
田村 祐一 甲南大学, 知能情報学部, 教授 (50311212)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2027: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2026: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2025: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 反応動力場 / 分子動力学 / タングステン / 空孔 / 水素 / ボイド / 合体 / 分子動力学法 / 水素吸蔵 / 水素リサイクリング / 中性粒子輸送コード / プラズマ壁相互作用 / 中性粒子輸送 / 衝突輻射モデル / 非接触プラズマ |
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| Outline of Research at the Start |
非接触プラズマの生成には周辺領域での中性粒子輸送が影響する。また、炉心プラズマを高い効率で閉じ込め状態（Hモード）を維持するためには、壁からの中性粒子発生を低減する必要がある。非接触プラズマ・Hモードの両立条件を求める手法は未だ確立されていない。本研究では、(1)衝突輻射モデルを組み込んだ中性粒子輸送コード(2)分子動力学法と熱伝導方程式のハイブリッドコード、(3)ジャイロ運動論PICコードの改良も重ねてきた。これら3つのコードを紡ぎあい「壁の水素リサイクリング状態と分子の振動回転状態が、周辺の非接触プラズマ/炉心プラズマ閉じ込めにどのような影響を与えるか？」という課題に取り組む
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、核融合炉で使用されるプラズマ対向材の候補材料であるタングステン中における空孔の合体現象を、反応力場を用いた分子動力学（MD）シミュレーションを用いて詳細に解析したものである。タングステンは高融点、低スパッタリング率、低水素同位体蓄積といった優れた特性を有し、プラズマ対向材料の有力候補とされている。しかし、実際の核融合炉環境下では、D-T反応により発生する高エネルギー中性子および水素同位体の照射により、結晶中に様々な欠陥が生成され、特に空孔が形成されることが問題となっている。これまでの実験的研究では、空孔中に水素原子が捕捉されることで空孔の合体が促進されることが示唆されているが、その詳細な原子レベルでのメカニズムは十分に解明されていなかった。そこで本研究では、タングステン結晶内に初期状態として二つの空孔を配置し、それらの相互作用と水素捕捉の影響をLAMMPSコードを用いた分子動力学シミュレーションにより解析した。シミュレーションは異なる温度条件および空孔内に捕捉された水素原子数をパラメータとして実施し、詳細な挙動を追跡した。その結果、タングステン原子が空孔間を移動することで、二つの空孔が移動・合体して一つの大きな空孔を形成する過程が明らかとなった。特に水素原子が存在する場合には、空孔間の相互引力が増大し、合体が顕著に促進されることが示された。これらの結果は、プラズマ対向材料の微視的な損傷進展メカニズムの理解に貢献するものであり、将来的な耐照射性向上に向けた材料設計への重要な知見を提供する。本研究は、岡崎計算科学研究センターおよび核融合科学研究所のプラズマシミュレータを用いて実施された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、核融合炉におけるプラズマ対向材として期待されるタングステン中の空孔合体現象に着目し、その原子スケールでのメカニズム解明を目指して分子動力学シミュレーションを実施した。これまで、タングステンが高融点・低スパッタリング率といった特性により有望視される一方、照射環境下で形成される空孔欠陥が材料特性に与える影響については未解明な点が多かった。本研究では、特に水素原子の存在が空孔同士の相互作用に与える影響に焦点を当て、二つの空孔を初期配置したタングステン結晶モデルを構築し、LAMMPSコードを用いて系統的なシミュレーションを行った。温度条件や空孔内の水素原子数を変化させた解析の結果、空孔周囲のタングステン原子の移動により空孔同士が接近・合体する現象を確認し、水素原子が存在する場合には空孔間引力が強まり、合体が促進される傾向が見られた。これにより、水素トラッピングが空孔成長に与える影響を原子レベルで定量的に示すことができた。現段階では、空孔の初期配置や水素分布の違いが合体過程に与える影響について、さらなる検討を進めており、今後は照射損傷下での空孔クラスタリング現象や、それによる機械特性劣化のモデル化へ展開する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究で得られた成果を踏まえ、今後はタングステン中における空孔合体現象のさらなる詳細解析と、照射環境下における欠陥進展メカニズムの解明を進める計画である。具体的には、まず、初期状態における空孔の数や配置パターンを系統的に変化させることにより、空孔間距離、空孔クラスター形成までの経路、合体速度に与える影響を統計的に評価する。加えて、水素以外にもヘリウムやトリチウムなどの異なる不純物種が空孔合体に及ぼす効果についても検討対象とする。これにより、核融合炉運転時に想定される複雑な照射環境下での空孔成長ダイナミクスをより現実的に再現することを目指す。また、分子動力学シミュレーションに加え、長時間・大規模スケールの挙動を追跡するため、粗視化手法やキネティックモンテカルロ法との連携解析も導入し、ミクロからマクロへの欠陥進展モデルの構築を図る。さらに、得られた理論的知見を基に、空孔成長によるタングステン材料の機械的劣化予測モデルを開発し、材料設計へのフィードバックを行う予定である。将来的には、耐照射性向上を目指したタングステン合金の新規開発に向け、元素添加や微細構造制御による欠陥耐性向上策の提案も視野に入れている。これら一連の取り組みにより、核融合炉用材料の信頼性向上と、実用化に向けた基盤構築に貢献することを目指す。
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