2021 Fiscal Year Annual Research Report
表面ナノ構造を有するタングステンの水素同位体吸蔵特性と水素リサイクリングへの影響
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21H01059
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
坂本 瑞樹 筑波大学, 数理物質系, 教授 (30235189)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
皇甫 度均 筑波大学, 数理物質系, 助教 (00870908)
江角 直道 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20321432)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 表面ナノ構造 / 水素リサイクリング / タングステン / 水素吸蔵特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
負にバイアスされたタングステン（Ｗ）試料にヘリウム（He）プラズマを照射して繊維状ナノ構造を生成し、その試料に対して重水素(D)プラズマ照射を行い、その後昇温脱離測定を実施した。繊維状ナノ構造層の厚さが1.9μmと2.7μmのW試料に同条件のDプラズマ照射を行い、各々の重水素吸蔵量を評価したところ、繊維状ナノ構造を有しない場合に比べて吸蔵量は大幅に減少するが、繊維状ナノ構造の厚い方が重水素吸蔵量が約4割高いことが分かった。また、繊維状ナノ構造を有する試料とHeプラズマを照射していない（繊維状ナノ構造を有しない）試料をそれぞれ複数枚準備し、各々の試料に対して照射量の異なるDプラズマ（1.5～60 ×10^24 D/m^2）を照射してD吸蔵量の照射量依存性を評価した。繊維状ナノ構造の有無に関わらず、D照射量の増加に伴い吸蔵量が増加傾向にあるが、繊維状ナノ構造を有する試料では大幅な吸蔵量の減少が確認された。また、減少率は~1.5×10^24 D/m^2のときに最大(78%)であり、照射量が増えるにつれて徐々に下がり、6×10^25 D/m^2では40%となった。これらの結果は、He照射による表面構造変化が水素同位体の拡散障壁として機能することを示すとともに、照射量の増加により拡散の低減効果が実効的に弱まることを示唆している。
GAMMA10/PDXのエンド領域に繊維状ナノ構造を有するWとナノ構造を有しない平板Wを設置して端損失プラズマを照射し、両者のW前面の発光を干渉フィルター付き高速カメラで観測して水素リサイクリング特性を評価した。その結果、Hα線及びHβ線スペクトルの発光強度は、平板Wに比べナノ構造近傍でともに減少し、Hα/Hβ線強度比もナノ構造近傍で減少していることから、ナノ構造近傍で再結合する水素原子の平均的エネルギー準位が低いことが示唆された。
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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
タングステンの繊維状ナノ構造の重水素吸蔵特性の繊維状ナノ構造層の厚さ依存性と照射量依存性を取得し、その特性を明らかにすることができた。GAMMA 10/PDXの端損失プラズマを繊維状ナノ構造を有するタングステンとナノ構造を有しない平板タングステンに照射した実験での水素リサイクリング特性を評価することができた。水素透過プローブを整備してタングステンの水素透過特性の初期結果を得ることができた。また、YAGレーザーをタングステンに照射するテストスタンドを整備して照射実験を行い、レーザー照射によるタングステンの温度上昇の初期結果を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は研究の初年度として、タングステン繊維状ナノ構造の重水素吸蔵特性でよい成果を得ることができた。今後は、初期実験が進んでいる水素透過プローブ実験を進めるとともに、YAGレーザー照射とプラズマ照射を同時に実施できるシステムを整備して実験を進める。GAMMA 10/PDXのエンド領域を活用した繊維状ナノ構造の水素リサイクリング特性評価の実験、解析を進める。
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