金属材料の表面および内部のトリチウム汚染・除染過程の解明

• Project Area: Tritium Science and Technology for Fusion Reactor
• Project/Area Number: 22017005
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 大塚 哲平 九州大学, 大学院・総合理工学研究院, 助教 (80315118)
• Project Period (FY): 2010 – 2011
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2011)
• Budget Amount: ¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2011: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2010: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: トリチウム / 金属 / 拡散 / 捕獲 / 除染

Research Abstract

核融合実証炉の第一壁としてプラズマ対向面にタングステン(W)を被覆したフェライト・マルテンサイト鋼(F82H)を利用することが検討されている。W被覆層は放射性トリチウム(T)を含んだプラズマに曝されることになるので、炉内のTインベントリー評価ひいては安全性評価のために、TがW被覆層およびF82H基板にどのように進入し、蓄積(汚染)するのか、あるいは、加熱放出によってTがどのように除去(除染)されるのかを明らかにすることが重要である。本研究では、極微量のTを含んだ水素のDCグロー放電プラズマに、溶射法によりW被覆したF82Hを曝したのち、被覆層および基板中のトリチウム進入深さ分布をイメージングプレート法により測定し、その分布の温度変化および時間変化を調べることにより、両者への水素の進入・蓄積および放出機構を解明することを目的とした。
本年度の研究成果は、W被覆層中では主としてガス状水素の空隙(粒界)拡散が、F82H基板中では溶解水素の拡散が水素の進入または放出に大きく寄与しているという機構を構築できたことである。多孔質なW被覆層は、プラズマからの原子状、イオン状の水素の進入を表面(近傍)で阻み、ガス状水素の進入を空隙(粒界)に限定することにより、F82H基板への水素(T)の拡散進入・蓄積および透過を低減する役割を果たしていると考えられる。一方で、W被覆層では、プラズマ注入時の表面改質および表面近傍で生成した欠陥が水素捕獲サイトになり、これらに捕獲された水素が高濃度に局在化しており、内部では水素が各W粒子表面へ吸着し、さらに粒内への溶解するので、Tの蓄積量が増える可能性がある。表面近傍に局在した捕獲水素の捕獲エネルギーは極めて大きく、大気中保持や真空加熱を実施しても放出除去することが難しいこともわかった。

Research Products

• [Journal Article] Behavior of tritium in plasma-sprayed tungsten coating on steel exposed to tritium plasma (2011)
  • Author(s): T.Otsuka, T.Tanabe, K.Tokunaga
  • Journal Title: Physica Scripta Volume: T145 Pages: 14035-14035
  • DOI: 10.1088/0031-8949/2011/t145/014035
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of tritium imaging plate technique to examine tritium behaviors on the surface and in the bulk of plasma-exposed materials (2011)
  • Author(s): T.Otsuka, M.Shimada, R.Kolasinski, P.Calderoni, J.P.Sharpe, Y.Ueda, Y.Hatano, T.Tanabe
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 415 Issue: 1 Pages: S769-S772
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2010.11.046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydrogen permeation in metals near room temperature by a tritium tracer technique (2011)
  • Author(s): T.Ikeda, T.Otsuka, T.Tanabe
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 417 Issue: 1-3 Pages: 568-571
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2010.12.116
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Determination of hydrogen diffusivity and permeability in Wnear room temperature applying a tritium tracer technique (2011)
  • Author(s): T.Ikeda, T.Otsuka, T.Tanabe
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 415 Issue: 1 Pages: 1463-1466
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2010.12.007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Behavior of Tritium Accumulated on Materials Surface (2010)
  • Author(s): T.Otsuka, T.Tanabe
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 85 Pages: 1437-1441
  • Peer Reviewed
• [Presentation] トリチウムトレーサー法を利用した金属中の水素透過および拡散係数の測定(I) (2012)
  • Author(s): 田辺哲朗, 大塚哲平, 池田隆博, 篠原雅典, 堀之内寛輝
  • Organizer: 日本金属学会
  • Place of Presentation: 横浜市横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] トリチウムトレーサー法を利用した金属中の水素透過および拡散係数の測定(II) (2012)
  • Author(s): 大塚哲平, 田辺哲朗, 篠原雅典, 堀之内寛輝
  • Organizer: 日本金属学会
  • Place of Presentation: 横浜市横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] トリチウムトレーサー法を利用した金属中の水素透過および拡散係数の測定(III) (2012)
  • Author(s): 篠原雅典, 大塚哲平, 田辺哲朗
  • Organizer: 日本金属学会
  • Place of Presentation: 横浜市横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] トリチウムトレーサー法を利用した金属中の水素透過および拡散係数の測定(IV) (2012)
  • Author(s): 堀之内寛輝, 大塚哲平, 田辺哲朗
  • Organizer: 日本金属学会
  • Place of Presentation: 横浜市横浜国立大学
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] トリチウムプラズマに曝したタングステン被膜層からのトリチウム放出機構の解明 (2012)
  • Author(s): 大塚哲平, 田邉哲朗, 徳永和俊
  • Organizer: 日本原子力学会
  • Place of Presentation: 福井市福井大学
  • Year and Date: 2012-03-19
• [Presentation] Influence of surface and interface on hydrogen permeation through multilayered metal films (2011)
  • Author(s): M.Shinohara, T.Otsuka, T.Tanabe
  • Organizer: 15th International Conference on Fusion Nuclear Materials
  • Place of Presentation: Charleston, USA
  • Year and Date: 2011-10-19
• [Presentation] I.プラズマ対向壁としてのタングステン中のトリチウム挙動(6)トリチウムプラズマに曝されたタングステン被覆フェライト鋼へのトリチウム進入機構の解明 (2011)
  • Author(s): 大塚哲平, 田邉哲朗, 徳永和俊
  • Organizer: 日本原子力学会
  • Place of Presentation: 北九州市西日本国際会議場
  • Year and Date: 2011-09-19
• [Presentation] Behavior of hydrogen in plasma facing materials by means of tritium tracer technique (2011)
  • Author(s): T.Otsuka, T.Tanabe
  • Organizer: 2011 Japan-US Workshop on Heat Removal and Plasma Materials Interactions for Fusion, and IEA Workshop on Solid Surface Plasma Facing Components
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2011-08-30
• [Presentation] Behavior of tritium in plasma-sprayed tungsten coating on steel exposed to tritium plasma (2011)
  • Author(s): T.Otsuka, T.Tanabe, K.Tokunaga
  • Organizer: 13^<th> International Workshop on Plasma-Facing Materials and Components for Fusion Applications
  • Place of Presentation: Rosenheim, Germany
  • Year and Date: 2011-05-11
• [Presentation] トリチウムオートラジオグラフィによる金属表面の水素ブリスタ形成機構の解明(IV) (2010)
  • Author(s): 若林竜介, 大塚哲平, 田辺哲朗
  • Organizer: 日本原子力学会2011年秋の大会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道)
  • Year and Date: 2010-09-17
• [Presentation] トリチウムプラズマに曝した金属表面のトリチウム挙動 (2010)
  • Author(s): 大塚哲平, 田辺哲朗
  • Organizer: 日本原子力学会2011年秋の大会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道)
  • Year and Date: 2010-09-15
• [Presentation] 室温においてDCグロー放電により金属に負荷した水素の透過挙動 (2010)
  • Author(s): 池田隆博, 大塚哲平, 田辺哲朗, 篠原雅典
  • Organizer: 日本原子力学会2011年秋の大会
  • Place of Presentation: 北海道大学(北海道)
  • Year and Date: 2010-09-15
• [Presentation] Application of tritium imaging plate technique to examine tritium behaviors on the surface and in the bulk of plasma-exposed materials (2010)
  • Author(s): T.Otsuka, M.Shimada, R.Kolasinski, P.Calderoni, J.P.Sharpe, Y.Ueda, Y.Hatano
  • Organizer: 19^<th> International Conference on Plasma Surface Interactions
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Determination of hydrogen diffusivity and permeability in Wnear room temperature applying a Tritium Tracer Technique (2010)
  • Author(s): T.Ikeda, T.Otsuka, T.Tanabe
  • Organizer: 19^<th> International Conference on Plasma Surface Interactions
  • Place of Presentation: San Diego, USA
• [Presentation] Behavior of tritium near surface region of metals exposed to tritium plasma (2010)
  • Author(s): T.Otsuka, M.Shimada, T.Tanabe, J.P.Sharpe
  • Organizer: 9^<th> International Conference on Tritium Science and Technology
  • Place of Presentation: Nara, Japan
• [Presentation] Application of tritium tracer technique for determination of hydrogen diffusion and permeation coefficient near room temperature (2010)
  • Author(s): T.Ikeda, T.Otsuka, T.Tanabe
  • Organizer: 9^<th> International Conference on Tritium Science and Technology
  • Place of Presentation: Nara, Japan
• [Remarks]
  • URL: http://tritium.nifs.ac.jp/index.html