2023 Fiscal Year Annual Research Report
レーザードーピングで形成される不純物ドープ層を利用した水素ガスバリア機能の開発
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21K04662
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
信太 祐二 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80446450)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 水素透過 / レーザー照射 / 不純物ドーピング / ステンレス鋼 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素エネルギーの利用が広まる中で金属中への水素の侵入が引き起こす水素脆化が問題視されている．また，トリチウムを燃料とする核融合炉ではトリチウムの透過による外部環境への漏洩が懸念されている．水素透過が小さいセラミック薄膜のコーティングにより水素の侵入を抑制する方法があるが，薄膜のクラックや剥離により効果が無効化される可能性がある．本研究では，ステンレス鋼表面に炭素をドープすることで表面そのものを水素が侵入しづらい性質に改質する（水素の透過を抑制する）新しい手法の開発を目的とした．
エタノール中でNd:YAGレーザーパルスを照射することで炭素をドープした．炭素ドープした試料の重水素ガス曝露中の重水素透過フラックスを測定した結果，本実験条件の範囲では，フルエンス1J/cm2/pulse，照射時間3sの場合にもっとも透過が小さくなった．炭素ドープ層の水素保持量を調べるため重水素希釈したトリチウムガスに673Kで3時間曝露し，表層に保持されたトリチウム量をイメージングプレート（IP）法で測定した．その結果，透過が小さい試料ほどトリチウム保持量も少なくなる傾向が見られた．このことは炭素ドープにより水素溶解度が減少したことで透過が抑制された可能性を示唆している．ドープされた炭素の深さ分布をグロー放電発光分析により調べたところ，本手法では炭素が1μm程度までドープされること，重水素透過測定後（673Kで加熱後）には炭素が3-5μm程度の深さまで拡散すること，この炭素の拡散により重水素透過の抑制効果が低減してしまうこと，などが明らかになった．
本研究ではレーザーパルスのフルエンスと照射時間を適切に選ぶことによりステンレス鋼の水素（重水素）透過を抑制することができた．一方，本手法でドープした炭素は673Kで拡散してしまうため，実用の上では低温で使用する方がより長期間効果が持続すると思われる．
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