陽電子消滅法と昇温脱離分析による原子力材料中の水素－空孔型欠陥相互作用の解明

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03517
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50510129)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大澤 一人 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (90253541)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 陽電子消滅法 / 水素捕獲 / 中性子照射 / 電子線照射

Outline of Annual Research Achievements

タングステンおよびステンレス鋼に対して、量研機構高崎研究所１号加速器および京都大学複合原子力研究所ライナック加速器を利用して電子線照射を行った。また、タングステンについて、ベルギー原子力研究所（SCK/CEN）のBR2を利用した中性子照射を行った。
陽電子消滅実験によって照射欠陥を観察した。電子線照射試料では、単空孔程度の欠陥が導入されたことが分かった。中性子照射試料では、空孔10個程度からなる空孔集合体が観察された。中性子照射材では透過電子顕微鏡でも観察可能な空孔クラスターが存在すると考えられるので、最新の球面収差補正付き透過電子顕微鏡を用いてその同定を試みた。その結果を陽電子消滅法の結果と比較し、空孔型欠陥の寸法や数密度をより精度良く評価した。
試料中の水素－空孔型欠陥の観察を昇温脱離分析および陽電子消滅法を用いて行った。昇温脱離分析から、中性子照射された試料では、水素滞留が顕著に増加することが分かった。陽電子消滅から、照射されたタングステン中の照射欠陥への重水素捕獲を観察した。
また、研究分担者である大澤博士により、水素－空孔の安定構造を第一原理計算で評価した。１原子空孔および２原子空孔の場合について、水素の安定位置を明らかにすることができた。水素結合エネルギーの検討も行った。
以上で得られた結果を、捕獲サイトが多く存在する場合の水素拡散モデルであるOriani の式に適用し、タングステンやステンレス鋼における水素の拡散や集積を評価した。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] SCK/CEN(ベルギー)
  • Country Name: BELGIUM
  • Counterpart Institution: SCK/CEN
• [Journal Article] Effects of neutron flux on irradiation-induced hardening and defects in RPV steels studied by positron annihilation spectroscopy (2020)
  • Author(s): T. Toyama, T. Yamamoto, N. Ebisawa, K. Inoue, Y. Nagai, G. R. Odette
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 532 Pages: 152041
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152041
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stable structure of hydrogen atoms trapped in tungsten divacancy (2019)
  • Author(s): K. Ohsawa, T. Toyama, Y. Hatano, M. Yamaguchi, H. Watanabe
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 527 Pages: 151825
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.151825
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Defect characterization, mechanical and thermal property evaluation in CVD-W after low-dose neutron irradiation (2019)
  • Author(s): Xiaoou Yi, Lei Zhang, Wentuo Han, Jiao Chen, Pingping Liu, Yanwei Lv, Jiupeng Song, Luwei Xue, Diancheng Geng, Kenta Yoshida, Takeshi Toyama, Qian Zhan, Farong Wan, Somei Ohnuki, Yasuyoshi Nagai
  • Journal Title: International Journal of Refractory Metals and Hard Materials Volume: 85 Pages: 105004
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.105004
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamics evaluation of hydrogen isotope behavior in tungsten simulating damage distribution (2019)
  • Author(s): Moeko Nakata, Keisuke Azuma, Akihiro Togari, Qilai Zhou, Mingzhong Zhao, Takeshi Toyama, Yuji Hatano, Naoaki Yoshida, Hideo Watanabe, Masashi Shimada, Dean Buchenauer, Yasuhisa Oya
  • Journal Title: Fusion Engineering and Design Volume: 146 Pages: 2096
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2019.03.114
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 電子線照射W-X合金（X = Mo, Ta, Re）中の照射欠陥形成に対する添加元素効果 (2020)
  • Author(s): 外山健, 波多野雄治, Zhao Can, 井上耕治, 薮内敦, 木野村淳, 永井康介
  • Organizer: 日本金属学会2020年春期（第166回）講演大会
• [Presentation] 中性子照射タングステンの水素同位体吸収・放出の動力学 (2019)
  • Author(s): 外山 健 , 矢嶋 美幸 , 大野 哲靖 , 桒原 竜弥 , V. Kh Alimov , 波多野 雄治
  • Organizer: 第36回 プラズマ・核融合学会 年会
  • Invited
• [Presentation] Deuterium trapping at irradiation-induced defects in tungsten stdied by positron annihilation spectroscopy (2019)
  • Author(s): T. Toyama, K. Ami, K. Inoue, Y. Nagai, K. Sato, Q. Xu, Y. Hatano
  • Organizer: 4th International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interaction in Fusion Devices
  • Invited