2019 Fiscal Year Annual Research Report
Control of vacancy concentration and hydrogen isotope retention in neutron-irradiated tungsten alloys for fusion applications
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18H03688
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
波多野 雄治 富山大学, 学術研究部理学系, 教授 (80218487)
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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)
大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
矢嶋 美幸 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (70749085)
大矢 恭久 静岡大学, 理学部, 准教授 (80334291)
Lee HeunTae 大阪大学, 工学研究科, 講師 (90643297)
大宅 諒 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (10804750)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 核融合学 / プラズマ壁相互作用 / 核融合材料 / トリチウム / 照射欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Wは融点および熱伝導率が高いなどの特長から、核融合炉プラズマ対向材料として有望視されている。しかし、W中の格子欠陥（空孔など）が水素同位体を強く捕捉することがわかっており、核融合反応によって生じる高エネルギー中性子の照射を受けると、燃料であり水素の放射性同位体であるトリチウムの蓄積量が著しく増大することが懸念される。我々はWにReを5％添加した合金に中性子の代替として高エネルギーFeイオンを照射し、500℃以上の温度では空孔型欠陥の形成が抑制され水素同位体蓄積量が桁違いに減少することを見出した（Hatanoら, Nucl. Mater. Energy 2017）。しかし、その機構を明らかにするには至っていなかった。また、試料の放射化等を伴うため、中性子照射試験は未実施であった。
2019年度は日米科学技術協力事業のもと高エネルギー中性子を照射した純WおよびW-5%Re合金を重水素プラズマに曝露し重水素蓄積量を評価した。純Wでは中性子照射により重水素蓄積量が5倍以上に増大した。これに対し、中性子照射W-5%Re合金中の重水素蓄積量は、非照射の純Wと同程度であった。すなわち、中性子照射においても、Re添加により照射後の水素同位体蓄積を抑制できることを世界で初めて確認した。今後これらの照射試料について、陽電子寿命測定などで空孔型欠陥の数密度やサイズ分布を調べ、Re添加により水素同位体蓄積量が低減された機構の解明を進める。
また、W-3%Cr合金中の重水素蓄積を調べた。その結果、この試料中には粉末冶金法による製造時の緻密化が十分ではないことにより数ミクロン程度の空隙が多数存在しており、これら空隙が水素同位体の捕捉サイトとして働くことがわかった。すなわち、照射効果を明らかにするには至らなかったが、原子レベルの欠陥のみならず、比較的大きなボイドも水素同位体蓄積に寄与することを見出した。
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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
当初目的の一つであった「中性子照射W-Re合金中の水素同位体蓄積の解明」を進め、Re添加により中性子照射効果を抑制できることを見出したことは大きな成果である。
Suzudoら（J. Nucl. Mater. 2018）の量子科学計算では、ReとCrはW中の自己格子間原子と引力的相互作用をする一方、Moはほとんど相互作用せず、Taは斥力的に相互作用すると予想されている。そこで、W-Cr、W-Mo、W-Ta各二元系合金中の水素同位体蓄積に及ぼす照射効果を系統的に調べ、W-Re合金の場合と比較することにより、添加元素とW自己格子間原子の相互作用が空孔型欠陥の形成抑制に寄与しているか否かを明らかにすることをもう一つの目的として設定した。2018年度にはW-2.5%MoおよびW-5%Ta合金について水素同位体蓄積に及ぼす高エネルギー重イオン照射の影響を調べ、量子化学計算から予想された通り添加元素の効果がほとんど見られないことを確認した。2019年度はW-3%Cr合金について同様の実験を行ったが、この合金は加工性が悪く緻密な試料を得ることが困難であり、製造時に導入された欠陥の影響で照射効果を明らかにするには至らなかった。そこで現在、材料メーカーの協力のもと、より低いCr濃度において緻密な試料を調製する作業を進めている。
以上のようにW-Cr合金試料の調製という課題は残っているものの、他の課題についてはほぼ目的を達成できていることから、「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
１～2 at.%のCrを含む緻密なW-Cr合金試料を調製したうえで、高エネルギーFeイオンを250～1000℃で照射し、照射欠陥の形成と重水素蓄積挙動を調べる。Reと同様に抑制効果が見られれば、W自己格子間原子と強い引力的相互作用をする元素が空孔型欠陥の形成を抑制するというSuzudoら（J. Nucl. Mater. 2018）のモデルが裏付けられることとなる。さらに、日米科学技術協力事業で高温中性子照射を行ったW-Re合金について微細組織の分析を進め、水素同位体蓄積が抑制された機構を詳細に調べる。
また、純Wを含めて、照射欠陥による水素同位体捕捉における同位体効果を調べる。主な捕捉サイトとして考えられる空孔型欠陥には、原子サイズの単空孔から、大きく成長したクラスタ（ボイド）までのバリエーションがある。空孔型欠陥のサイズが大きくなるほど水素同位体との結合エネルギーが増大する（より強く捕捉される）と報告されているが、同位体効果については知見がほとんどない。そこで、サイズが制御された空孔型欠陥を含む試料を電子線照射や重イオン照射、照射後焼鈍等を組み合わせて調製したうえで、軽水素、重水素、トリチウムを導入し、捕捉エネルギーの同位体依存性と、そのサイズ依存性を調べる。
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[Presentation] Deuterium retention in W and binary W alloys irradiated with high energy Fe and W ions2019
Author(s)
Hatano, Y., Wang J., Alimov V. Kh., Hinoki T., Spitsyn A. V., Bobyr N. P., Kondo S., Toyama T., Lee H. T., Ueda Y., Sugiyama K., Schwartz-Selinger T.
Organizer
4th International Workshop on Models and Data for Plasma-Material Interactions in Fusion Devices
Int'l Joint Research
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