2020 Fiscal Year Research-status Report
Study of hydrogen trapping at vacancy-type defects in tungsten and their growth promote effect by hydrogen
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17K06993
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
大澤 一人 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (90253541)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50510129)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 核融合 / タングステン / 空孔 / 第一原理計算 / 不純物 / 空孔クラスター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
タングステンは水素溶解度が小さい、融点が高い、耐照射性に優れているなどの特徴を持ち核融合炉材料として重要である。しかし、照射環境下ではプラズマ粒子などの衝突による弾き出しによって空孔型欠陥が発生する。そこに多量の水素（水素同位体）が捕獲される。特に、放射性のトリチウムの残留量が問題である。さらに、タングステンには他の金属にはない特異性が報告されている。その１つとして、二原子空孔が単原子空孔よりも不安定であることがエネルギー計算より示唆されている。しかしながら、単原子空孔から二原子および空孔クラスターへの成長は陽電子消滅実験で観測されており、計算と実験の食い違いがみられていた。そこで本研究ではタングステン試料に含まれる不純物による空孔クラスターの安定化について研究した。
不純物としては水素、炭素、窒素、酸素という格子間に位置する侵入型不純物を選んだ。第一原理計算によりこれらの不純物とタングステン中の空孔型欠陥との相互作用、特に結合エネルギーを計算した。また、不純物のタングステン中の移動エネルギーを計算し拡散挙動について調べた。
４つの不純物は(1)全て単原子空孔と結合するが、水素と単原子空孔との結合力は弱い。(2)全ての不純物は二原子空孔を安定化させる効果がある。(3)水素と酸素は移動エネルギーが小さく低温でもタングステン中を拡散することがわかった。特に、酸素はタングステン中の空孔型欠陥との結合が強く、低温でも拡散がしやすいことが示された。陽電子寿命測定実験の結果や試料作製過程を考慮すると、空孔型欠陥の安定化や空孔クラスターへの成長に最も貢献する可能性が高いのは酸素であると考えられる。
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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
第一原理によるエネルギー計算により、タングステン中の空孔クラスターの安定化や成長が不純物の存在によって説明できた。陽電子消滅実験の結果とも矛盾しない。しかしながら、空孔型欠陥の安定化には他の要因も考えられるので１つ１つ丁寧に検証する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
タングステン中の空孔型欠陥の安定化について、拡散がしやすい不純物である水素と酸素に関しては詳しく研究した。今後は不純物量としては比較的多い炭素と窒素に関しても同様の計算を行いたい。また、空孔型欠陥の発生を防ぐための目的でレニウムを添加することが行われている。そこでタングステン、レニウム、不純物の間の相互作用を研究し今後の材料開発に貢献したい。
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| Causes of Carryover |
新型コロナ肺炎の蔓延のため学会が減り旅費がほとんど使えなくなった。今後は学会が再開された時の成果発表のための旅費、論文を投稿した際の掲載費、および計算機使用料金に利用する予定である。
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