2017 Fiscal Year Annual Research Report
Study on function sharing type interface structures and demonstration of self-healing function in corrosive environment for advanced blanket systems of fusion reactors
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16H04617
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
近藤 正聡 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (70435519)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
菱沼 良光 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00322529)
田中 照也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30353444)
松村 義人 東海大学, 工学部, 教授 (60239085)
佐々木 一哉 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (70631810)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 核融合炉 / 界面 / 電気化学インピーダンス / 固層拡散接合 / 液体金属 / 液体ブランケット / 水素透過防止 / ジルコニウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
核融合炉先進ブランケットの熱エネルギーは熱交換器界面を経由して一次冷却系から二次冷却系に輸送される。熱交換器の界面構造設計は、安全性やトリチウム(T)経済に直結する重要課題である。本研究の目的は、耐食性被覆とT透過防止被覆を積層する機能分担型多重被覆構造に自己修復機構を付加させる事により実機実装が可能な革新的熱交換界面構造を開発する事である。熱力学的に安定な酸化物層の耐食性、緻密酸化被膜のT透過防止機能と自己修復性を過酷環境下で同時に発現させる。定常診断法として電気化学インピーダンス法に加え水晶振動子質量計測法を新たに採用し、構造内欠陥発生、自己修復、腐食、腐食生成物析出のIn－situ界面構造評価に機構論的に取り組む。
H28年度は、酸化被膜型機能性界面の液体金属環境下共存性、水素透過特性、電気化学特性を明らかにした。また、界面構造の物質移行をオンラインで評価する手法として水晶振動子計測装置を導入した。
H29年度は、耐食性、水素同位体透過抑制、電気絶縁機能を有する緻密な酸化物としてジルコニア(ZrO2)に注目し、ZrO2と金属ジルコニウム(Zr)をステンレス鋼に積層させた機能分担型界面構造を開発した。酸化反応によりZrO2膜を形成する金属Zr層を構造材料であるステンレス鋼(316Lタイプ鋼)に対して固層拡散接合法により積層させた。このZrO2層が部分的に破損した場合、液体金属中から酸素が金属層に供給されて部分的な酸化反応が生じるため、破損部が選択的に修復する。金属Zr層と316L鋼との接合強度を改善するために、CuやNbをインサーション金属とした界面構造も開発した。また、液体金属(Pb-Bi、Pb、Sn）中におけるZrO2層の共存性を腐食試験（温度条件: 500℃、浸漬時間: 約300時間)により調べた。ZrO2層が優れた耐食性を示す事がわかった。
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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
３年間の研究計画のうち２年度目までが過ぎた段階で、当初目標としていた①機能分担型界面構造の開発と②電気化学インピーダンス法を応用した多重被覆構造の電気特性評価について、おおよそ目的を達成した状態である。様々な液体金属(Pb, Pb-Bi, Sn)に対してZrO2が良好な共存性を示す事を明らかにした事により、本研究の成果が核融合炉のみならず液体金属を応用するプラント開発に対する応用範囲の広さを示す事ができた。更にZrO2/Zrを固層拡散接合に技術を応用してステンレス鋼に積層させ、理想通りの機能分担型界面構造を開発できている。また、電気化学インピーダンス法に関しても、電子顕微鏡でも検出が困難なクラックなどの微小な欠陥の発生も検出できる可能性を見出している。このように、当初の計画以上の成果を挙げている。一方、水晶振動子測定法の高温試験の実施準備に時間がかかってしまっているため、"(2)おおむね順調に進展している"という区分とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに着実に成果が得られているZrO2/Zr/SUS316L構造を中心に、研究テーマに学術的な広がりを持たせるために、他の酸化被膜構造についても平行して同様の研究を進める。また、液体重金属流動場における浸漬試験等により、ZrO2/Zr/SUS316L構造の動的な破壊挙動などについて評価する。
本研究課題のもう一つの重要項目である水晶振動子質量計測法については、使用可能温度上限がブランケットの運転温度よりも高いものの、水晶振動子を固定するセンサー部構造を電気的に絶縁しながら気密がとれる設計にしなければいけない点がポイントである。
現在、セラミクスシーリング材を用いたセンサー構造の試作を進めており、製作が完了し次第、低融点の液体合金を用いた実験を開始する予定である。
本研究では、液体ブランケット環境を対象として来たが、最近特に注目を集めつつある液体ダイバータ（冷却材は液体金属Sn）についても対象範囲内として、本プロジェクトの対象範囲を拡大したい。これにより、計画当初は熱交換器のような核融合炉圧力容器外(アウトベッセル環境)を対象としてきたが、圧力容器内(インベッセル環境)条件において放射線(電子線や中性子など)照射が機能分担型界面構造に与える影響についても考察したい。
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