2020 Fiscal Year Annual Research Report
Devrlopment of high durable Tungsten materials to realize divertor of a fusion reactor.
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17H01364
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
長谷川 晃 東北大学, 工学研究科, 教授 (80241545)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野上 修平 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00431528)
宮澤 健 東北大学, 工学研究科, 助教 (00733726)
長坂 琢也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (40311203)
外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50510129)
安堂 正己 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 核融合炉材料研究開発部, 主幹研究員 (30370349)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | プラズマ対向機器用材料 / タングステン / タングステン合金 / 中性子照射効果 / 核変換ヘリウム / 機械特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
R2年度に予定されていた米国ORNLの原子炉（HFIR）で熱中性子遮へいを施し、核融合炉での中性子照射条件に近づけた中性子照射を行った試験片の日本への輸送は、ORNLにおける新型コロナウィルス対策によるホットラボ内での作業の制限により、試料の弁別作業や搬出作業が遅れ、さらに放射性物質管理手続きの遅れによって大幅な遅延が発生し、当初計画していたR2年度での日本への照射試験片の輸送とその後の照射後試験である微細組織観察などが実行できなくなった。そのため試験片の輸送と関係した研究内容をR3年度（2021年度）にくり越しを行った。
一方、核融合炉の中性子照射環境下における別の重要な材料課題であるタングステン（W）中に核変換によって発生するヘリウム（He）の挙動については、サイクロトロン加速器でHeを20appmまで注入した試験片を使って300℃から1300℃の領域で評価を行った。その結果、Wの低温での脆性改善効果が報告されている加工による転位とそのセル構造を含む微細組織の高温での引張試験条件下における安定性が、2appmのHe濃度まではHe無しの場合と変わらずに回復と再結晶が起こったのに対し、原型炉で想定されるレベルの20appm注入ではHeのクラスタの大きさや数密度が多くなったことにより、HeクラスタによるZener効果によって1200℃以上の高温環境下におけるセル構造の回復や再結晶が抑制され、この構造が安定化することが分かった。また本研究で実施した20appmのHe量以下であれば、1500℃の熱履歴で再結晶がおきた場合でも、再結晶が抑制された場合でもHeによる粒界脆化の発生は認められなかったことから、核融合炉運転環境下で核反応で発生するHeによる脆化促進効果はほとんど起こらない可能性があるという結果が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウィルス感染症の影響により、米国ORNL研の原子炉で中性子照射した試験片の日本への輸送が当初計画の2020年内に実施出来なかった。これらの試料の機械特性評価は研究分担者の宮澤健がORNLに出向いて実施でき、引張特性に関する重要なデータを取得できたが、その挙動の原因となる損傷組織発達については、日本に試験片を輸送して実施する計画であった。しかし、放射性物質である試験片の輸送には管理区域内での分別作業や核種登録などの作業が必要であり、コロナ禍における作業制限等により、試験片の日本への輸送手続きが進められなかった。
この他の中性子照射による影響の核変換ヘリウムによる組織発達や機械特性への影響については日本国内（東北大学工学研究科内）において、ほぼ計画通り実験が実施され、Heの影響に及ぼすHe濃度依存性などについては、当初計画以上の多くの成果が得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度（2021年度）においても新型コロナウィルスの影響により、米国からの試験片輸送がなかなか進まなかったが、8月からようやく試験片輸送手続きが動きはじめ、まず米国内でORNLからアイダホ国立研究所（INL）に試料を輸送し、さらにINLから日本に試験片が輸送するという2段階を経ることで輸送が行えることになり、2022年の1月初旬に金研・大洗に試験片が到着した。このように時期が年度末になってしまったことから、R3年度（最終年度）に計画していた照射後試験を実施することが困難になったため、中性子照射材の照射後試験とその結果のまとめについては、R4年度に再度繰り越すこととなった。R3年度においては、Heの加工組織安定化の影響について、Wの加工組織の微細化と高温での安定性に優れた特性を持つことが分かっているWドープ材とW-3%Re材について300℃から1300℃までの機械特性を引張試験によって調査を進め、その成果が得られた。同時に透過型電子顕微鏡(TEM)による微細組織観察を進め、Heバブルの形成と、セルなどの転位構造の安定性についての知見が得られた。これらの成果の一部については、2021年のICFRM-２０において成果発表を行い、 微細組織観察との関係については現在考察を進めながら論文執筆を行っている。
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