核融合炉中性子環境における温度・ひずみセンサーの特性変化、使用限界予測技術の確立

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06945
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: 田中 照也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30353444)
• 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) ; 吉野 正人 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10397466) ; 坂上 裕之 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (40250112) ; 佐藤 文信 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40332746)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 熱電対 / ひずみセンサー / 照射効果 / イオンビーム / 薄膜

Outline of Annual Research Achievements

センサー材料に対する中性子損傷の効果をイオンビーム照射により模擬して調べるための薄膜試料作製について、今年度、特にクロメル-アルメル薄膜センサー試料の製作を試みた。クロメル、アルメル板材の入手は困難であると判断し、0.8㎜φの線材を圧延して、幅1.5mm、厚さ150-200μmの板材を多数準備し、これを数十枚スポット溶接でつなぎ合わせることで50xmm50mmの板とした。ここから50mmφの円板を切り出してターゲットとして、DCマグネトロンスパッタ装置を用いて各種基板上に厚み100nm程度のクロメル、アルメル薄膜の成膜が安定して行えることを確認した。薄膜の成分をFE-SEM、XPSにより確認し、蒸着時の酸化に起因すると思われる電気抵抗値の若干のばらつきがみられたため、今後、その影響の考察と酸化低減を図る。また、アルミナ基板上に、クロメル、アルメル薄膜を積層させた薄膜センサー試料を製作し、市販センサーと同様に温度センサーとして動作していることを確認した。
H２９年度以降に計画しているイオンビーム照射実験における照射フルエンスの決定、また、核変換による組成変化を模擬したセンサー材料試作の際の成分を決定するために、ヘリカル型核融合炉FFHR-d1の炉内中性子環境評価をMCNPコードを用いた中性子輸送計算により実施した。最も環境が厳しい発電ブランケット前面での損傷量は数十dpa（displacement per atom）、冷却材配管周辺では0.数～数dpaになると予測される。また、核変換量はFISPACTコードに炉内各部位における中性子スペクトルを入力して算出し、炉心プラズマに面したブランケット第一壁近傍では、クロメル-アルメルにおける顕著な核変換として、本来含まれていないCoが約0.5％生じるほか、Feの割合も2.5％程度増加すること等を確かめた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

「センサー材料の薄膜試料作製と特性評価」：ニッケル主成分のクロメル、アルメルについて、ワイヤ線の圧延とスポット溶接によりDCスパッタ蒸着用ターゲット製作手法を確立した。ターゲット面が平滑でないため、当初懸念された異常放電がスプラズマ立ち上げ直後に若干みられるものの、蒸着中は比較的安定した放電が維持され、自作ターゲットによるセンサー薄膜試料作製が可能であることが確認できた。ニッケル合金であるナイクロシル、ナイシルやニクロムVについても同様に薄膜試料の製作が可能と判断している。また、ニッケル合金と比較して硬く、圧延が困難であると考えられる26Re-Wについては、ワイヤを円形に巻くことで円板製作をおこなえる見通しを得ている。蒸着中の材料の酸化をさらに抑える必要がある可能性があるが、薄膜センサー試料の製作手法を確立するH28年度の最も重要な目標は概ね達成している。
「核融合炉における核変換量の予測」：ヘリカル型発電炉FFHRの3次元中性子輸送計算モデルの作成を行い、センサー使用部位での中性子損傷量、核変換量の算出をするための計算コードと入力データを整備した。今後の試料製作・照射試験条件が明確に設定でき、目標は概ね達成している。また、過去に報告されている温度センサーの核分裂材料試験炉における特性変化を量的に理解する準備として、材料試験炉（HFIR等）における中性子損傷量、核変換量を計算できるようにした。
「イオンビーム照射実験・電子状態計算の準備」：ビーム照射領域内で大きい温度勾配を設ける必要があると考え、ヒーターステージと冷却流路を設けた照射用サンプルホルダーの試作を行った。また、熱電対の電子状態計算について、熱電材料の研究者との議論、調査を行い、電子の輸送方程式と電子状態計算(VASP、WIEN2k等）を組み合わせた理論計算を試みる方針を立て、これら準備も概ね計画通り進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

[1]　核変換による組成変化を模擬した薄膜試料の作製と特性評価： 核変換に伴う組成変化の予測計算結果に基づき、アーク溶解炉を用いて市販のセンサー材料に各種元素を添加して溶解させ、組成調製した塊状（ボタンもしくは棒状）の金属材料を製作する。さらに、これを圧延して蒸着ターゲットとし、スパッタ法により薄膜センサー試料を製作する。電気起電力、抵抗値の評価を行い、組成変化の影響について調べる。アーク溶解炉による組成調整が何らかの理由で困難な場合には、原料金属粉末を雰囲気制御されたグローブボックス内に設置されたボールミル装置で混合して合金化させるメカニカルアロイング(MA)法、及び熱間等方圧加圧(HIP)装置の利用をバックアップとする。
[2] イオンビーム照射実験： 低エネルギー照射装置（60keV、H+、5mmφ、50μA）、同（200keV、H+、2cmφ、1mA）、タンデム加速器（3MeV、He2+、3mmφ、500nA）、α粒子との複合ビーム照射装置 (5.1MeV、Si2+、8x8mm2、電流値1.3μA)等を用いたイオンビーム照射実験を実施する。核融合ブランケットで想定される最大750℃程度までの高温において、薄膜センサー試料に対する照射を実施し、照射後試料の電気特性変化を調べるとともに、FE-SEM、EDX等により材料状態変化の有無、接触界面近傍の元素分布変化や接触状態等を調べる。
[3] 電子状態計算：市販センサー材料の組成、及び、核変換を模擬したセンサー組成に対して、電子状態計算を行う。さらに、電子の輸送方程式や分子動力学計算コード等で得られる照射欠陥生成の情報を組み合わせることにより、照射実験により得られる電気特性変化を電子状態計算と対応づけ、最終的に特性変化の傾向を予測することを目指す。
研究進捗状況については、国内・国際会議において報告、議論を行う。

Causes of Carryover

薄膜センサー試料の製作について、ＤＣマグネトロンスパッタによる試料製作が順調に進み、バックアップで想定していたＲＦスパッタ蒸着や抵抗加熱蒸着での試料製作を試みる必要がなくなり、試料基板の購入が少なくて済んだため、次年度使用額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

次年度購入予定の電子状態計算に用いる計算機の購入にあて、機能・性能のより高い計算機を購入する計画である。