Interactions between lattice defects and hydrogen isotopes in tungsten and their impact on tritium retention
| Project/Area Number |
23K22471
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| Project/Area Number (Other) |
22H01200 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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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 | University of Toyama |
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Principal Investigator |
波多野 雄治 富山大学, 学術研究部理学系, 教授 (80218487)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50510129)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
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| Keywords | 核融合炉 / プラズマ対向材料 / タングステン / 水素同位体 / 照射損傷 |
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| Outline of Research at the Start |
核融合炉の炉心を構成する材料（タングステン）は、水素のプラズマにさらされると同時に、核融合反応で発生する高エネルギー中性子の照射を受けます。中性子の照射を受けると、結晶格子中の本来原子があるべき位置に原子が存在しない「空孔」やその集合体等の「格子欠陥」が導入され、徐々に性能が劣化していく恐れがあります。また、プラズマからタングステン中に溶け込んだ水素は、これら照射欠陥と結合することがわかっています。本研究では、世界で初めて水素が存在する環境下で中性子照射したタングステン中の格子欠陥の密度や大きさ、および水素蓄積量を詳細に調べ、核融合炉環境下での照射欠陥の蓄積に及ぼす水素の影響を明らかにします。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の核心をなす学術的「問い」は、「中性子照射下におけるタングステン（W）中の空孔型格子欠陥の動的挙動（消滅や集合体形成）に、共存する水素同位体が影響を与えるか？」である。核融合炉プラズマ対向材料であるWが重水素とトリチウム（T）の核融合反応で生じる高エネルギー中性子の照射を受けると、格子欠陥が形成され、それらが水素同位体をトラップすることで、炉内のT蓄積量が著しく増大する懸念がある。高温では拡散を通して格子欠陥の消滅やクラスタリングが起こり、このような動的挙動がT蓄積量に影響を与えるが、水素同位体と格子欠陥が結合した場合の欠陥の動的挙動については、ほとんど知見がない。そこで、本研究グループが考案した「水素同位体雰囲気下中性子照射キャプセル」により中性子照射したW試料および電子線照射した試料を用いて、水素同位体共存下での欠陥の動的挙動を明らかにする。
「水素同位体雰囲気下中性子照射キャプセル」の照射は米国オークリッジ国立研究所の研究炉HFIRで行った。バナジウム水素化物を水素源として利用したが、照射後の水素の再分布挙動を調べることにより、想定通り炉内で水素化物の分解により水素ガス雰囲気が形成されたことを確認した。また、水素ガス雰囲気下で中性子照射されたWおよびW-Re合金試料について、微細組織観察を開始した。
さらに、京都大学複合原子力科学研究所の電子線加速器を用いて、W試料に8 MeVの電子線を平均はじき出し回数が0.005となる程度まで照射した。そののち、プラズマ曝露によって重水素（D）原子を導入したうえで400℃に加熱し、空孔型欠陥の挙動を陽電子消滅法で調べた。その結果、導入されたD原子が空孔集合体に捕捉されていること、D原子が空孔集合体の分解を遅延していることを見出した。
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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
世界初の試みである「水素同位体雰囲気下中性子照射キャプセル」を用いたタングステンの中性子照射において、照射後のキャプセルを解体し水素の再分布を調べることで、原子炉内で実際に水素源であるバナジウム水素化物が分解し水素ガス雰囲気が形成されていたことを確認した。そのうえで、タングステンおよびタングステン合金の本格的な照射後試験に着手した。さらに、電子線照射試料に重水素を導入したうえで加熱し、重水素を導入しなかった場合と陽電子寿命を比較することで、空孔型欠陥の離合集散に水素同位体が影響を及ぼすことを明らかにした。以上のことから、おおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに、水素ガス雰囲気下でWおよびW-Re合金試料に400℃で中性子照射を行った（原子の平均はじき出し回数は約0.02回および0.1回）。比較のためHeガス雰囲気下でも同様に照射した。これら試料の陽電子寿命を比較し、水素同位体の捕捉サイトとして働く空孔集合体の密度とサイズ分布に及ぼす共存水素の影響を明らかにする。また、これらの試料を200℃程度で重水素（D）プラズマに曝露したのち、昇温脱離法でD蓄積量および脱離温度を測定する。この結果より、照射時に共存する水素が格子欠陥による水素同位体捕捉容量および束縛エネルギーに与える影響を評価する。さらに、微細組織を透過電子顕微鏡で観察し、転位など空孔以外の欠陥の形成・成長に及ぼす共存水素の影響を調べる。
一方で、中性子照射は現実の核融合炉環境に近いものの、上記平均はじき出し回数まで損傷を受けたのちの状態に関する情報のみが得られ、途中経過を追跡することはできない。そこで、高エネルギー電子線照射により単空孔を導入し、その離合集散に及ぼす水素同位体の影響を調べる。京都大学複合原子力科学研究所LINACにて室温近傍でWに8 MeVの電子線を照射し、単空孔を導入する。これらの試料の一部を200℃程度でD原子に曝露し、単空孔をDで飽和させる。Dを含む試料と、含まないものを空孔が拡散し得る温度（300～500℃）に加熱すると、一部の空孔は互いに結合して集合体を形成し、他の一部は表面や結晶粒界等のシンクに到達して消滅する。従って、空孔集合体は一旦成長したのち、分解に転じることになる。空孔集合体のサイズ分布の経時変化を陽電子寿命法で評価することで、空孔の拡散および離合集散速度に及ぼす共存水素同位体の影響を定量的に明らかにする。中性子照射の結果と合わせて、水素同位体共存下での空孔集合体の成長・分解速度および安定性を記述するモデルを構築する。
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
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[Presentation] Irradiation responses of selected binary tungsten alloys2023
Author(s)
Hatano Yuji, Wang Jing, Toyama Takeshi, Hinoki Tatsuya, Yabuuchi Kiyohiro, Zhang Yi-fan, Ma Bing, Spitsyn Alexander V., Bobyr Nikolay P., Inoue Koji, Nagai Yasuyoshi
Organizer
21st International Conference on Fusion Reactor Materials
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