2019 Fiscal Year Research-status Report
Study of hydrogen trapping at vacancy-type defects in tungsten and their growth promote effect by hydrogen
| Project/Area Number |
17K06993
|
|---|
| Research Institution | Kyushu University |
|---|
Principal Investigator |
大澤 一人 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (90253541)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50510129)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 核融合 / タングステン / 水素 / 空孔 / 第一原理計算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
タングステンは高い融点や耐摩耗性に優れ水素溶解度が低いことから核融合炉でのプラズマ対向材料として有望視されている。タングステンの結晶には水素はほとんど溶解しない。しかし、プラズマ照射で形成された格子欠陥や試料に元々存在する不純物にはかなりの量の水素が捕獲されることが分かってきた。単原子空孔に捕獲される水素に関しては先行研究があるので、本研究では二原子やそれよりも大きな多原子空孔(空孔クラスター)に捕獲される水素の安定構造や結合エネルギーについて第一原理計算を行ってきた。また、タングステンの二原子空孔はエネルギー的に不安定という他の金属には見られない特徴がある。その点も併せて研究している。
二原子空孔は不安定であるが、水素や不純物（炭素、窒素、酸素）を捕獲することで著しく安定化することが分かった。特に、核融合炉で問題となる水素に関しては詳しい研究が行われ論文にまとめることができた。二原子空孔の構造は次のようになる。BCC金属であるタングステンでは単原子空孔が<111>方向に並ぶ形状の二原子空孔が安定である。水素が捕獲されるとO-siteと呼ばれる位置の近傍に配置される。二原子空孔中の水素は単原子空孔同士の接合部にあるO-siteの方が安定であることがわかった。
金属中の空孔型欠陥の状態を実験的に観察する方法として陽電子消滅法がある。この実験によるとタングステン中では二原子空孔の形成が観察され、本研究および先行する研究で指摘されているような二原子空孔の不安定性とは矛盾する結果が得られている。その点を解決するために金属試料に少量ではあるが必ず存在する不可避的不純物（炭素、窒素、酸素）の影響の研究を開始した。それによると、これらの不純物もタングステン中の空孔型欠陥を安定化する効果があり、実験結果を説明できることが分かった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
タングステン中の二原子空孔の安定構造、さらにそこに捕獲された水素の詳細な安定構造の計算が終わり、その結果をまとめた論文を提出することができた。さらに水素同位体による違いも指摘できた。核融合炉には重水素と三重水素が燃料として用いられる。これらの水素同位体と空孔型欠陥は水素同位体の零点振動エネルギーの違いから軽い水素同位体の方が空孔型欠陥とは強く結合することがわかった。核融合炉では放射性同位体の三重水素の残留が問題となっているので、この同位体による違いを指摘できたことは重要である。
第一原理計算ではタングステン中の二原子空孔は不安定であるが、陽電子消滅実験では二原子空孔やさらに大きな空孔クラスターへの成長が観測されている。このように計算と実験は矛盾した結果が得られている。本研究ではその矛盾点を解決するために不純物の影響を計算した。不純物としては炭素、窒素、酸素が考えられるがその中のどれが最も影響が大きいのかを特定できる見通しが立った。現在は陽電子消滅実験を行っている研究グループとも連携をとりながら、タングステン試料の作成過程などを考慮し、二原子空孔形成を説明するモデルの研究を進めている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
タングステン中の空孔型欠陥と水素との相互作用の研究は予定通り進んだと思われる。今後は陽電子消滅実験との矛盾点を解決するために、空孔型欠陥と不純物との相互作用の計算を中心に進めたいと思う。不可避的不純物である炭素、窒素、酸素の量は少なく数ppm程度である。従って、空孔型欠陥に捕獲される不純物はせいぜい１個と予想されるので計算は比較的簡単である。その代わり数個の単原子空孔で構成される空孔クラスターには様々な構造をとる可能性があり、多くの構造を対象とした計算が必要である。最も安定な空孔クラスターとその中の不純物の位置を特定するために詳しい計算を行う。不純物が空孔に捕獲されるためにはタングステン試料中を何格子も移動し拡散する必要があると考えられる。そのため不純物の移動エネルギーも計算する。遷移経路に沿ったエネルギー計算をするにはnudged elastic band法があるので、これを活用する。
|
| Causes of Carryover |
年度末には新型コロナウィルスの流行による学会の中止があり旅費の執行が予定通りできなかった。次年度は適切に予算を利用したい。
|
