Reduction of hydrogen permeation using irradiation defects prodeced by helium ionirradiation

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K04718
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 信太 祐二 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80446450)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 水素ガスバリア / ヘリウム気泡 / 照射欠陥 / ステンレス鋼

Outline of Annual Research Achievements

水素は金属を透過しやすいため，金属製水素容器からの水素漏洩を抑制する機能，いわゆる水素ガスバリア機能の需要が高まっている。水素透過を抑制する技術としてセラミック膜などをコーティングする手法が主流になっているが，この手法はクラックや剥離などの潜在的な弱点が存在する。本研究では，ヘリウム照射により形成される照射欠陥層が水素の移動を妨げる性質を利用し，水素容器として広く使用されているステンレス鋼の水素透過を低減させる手法の開発を目指している。この手法は金属そのものを水素が透過しづらい性質に変えることができ，またコーティング法の弱点を補完する技術として期待できる。
本年度は，これまでよりも高エネルギー（5keV)でヘリウムイオン照射したステンレス鋼試料の重水素透過測定を行った。試料の片面を重水素ガスに曝した状態で試料を673Kに保持し，試料反対側に透過した重水素を検出することで透過速度を調べた。ヘリウムイオン照射温度が773Kの場合，照射量の増加とともに重水素透過速度が減少し，最大で3分の一にまで減少した。一方，照射温度が室温および573Kの場合は20%程度しか減少しなかった。ステンレス鋼中に保持されたヘリウムの熱脱離挙動を昇温脱離分析で調べた。その結果，773Kで照射した場合，透過測定温度（673K）以下では脱離しないことがわかった。一方，室温で照射した場合，透過測定温度よりも低温で多くのヘリウムが脱離することが分かった。ヘリウム照射した試料内部の照射欠陥構造を調べた結果，照射温度が高くなるにつれてより大きなヘリウム気泡が高密度で形成されることが分かった。これらの結果から，高温でヘリウムイオン照射した方が熱的に安定でより大きなヘリウムバブルが形成され，このような照射欠陥層が水素透過の抑制に寄与することが示された。