2015 Fiscal Year Annual Research Report
高負荷粒子・エネルギー環境に耐える高信頼性対向壁用タングステン材料の開発
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24246151
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
長谷川 晃 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80241545)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
野上 修平 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00431528)
佐藤 裕樹 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20211948)
徳永 和俊 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (40227583)
長坂 琢也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (40311203)
谷川 博康 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所, グループリーダー (50354668)
藪内 聖皓 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (70633460)
波多野 雄治 富山大学, 水素同位体科学研究センター, 教授 (80218487)
福田 誠 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70757666)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | プラズマ対向機器材料 / タングステン材料 / 耐照射向上 / 機械特性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、核融合炉において、高温環境下で中性子照射されたタングステンの高熱流束機器の構造材料として求められる照射脆化および再結晶脆化に対する抵抗性について、材料作製時に導入される層状組織や加工組織、さらに超微細結晶粒などの組織制御の効果や、レニウムなどの合金元素を添加する効果の有効性とその適用範囲を明かにし、さらに中性子照射に起因する劣化の起こり難い材料を作製することを目的としている。そのために、これまでに得られている知見を基に粉末焼結法を用いて、数種類のタングステン合金を作製し、強度試験用の引張り試験片や曲げおよび熱伝導率評価が可能な試験片の作製を進めた。また弾性ひずみや熱応力の緩和の挙動を曲げ応力緩和試験法を使ってひずみ回復挙動を明かにし、高温での機械特性評価治具などの整備を行った。また、作成した合金における組織微細化により引き延ばされた結晶粒組織に起因する機械特性の異方性や、強度の試験温度依存性、および変形挙動の歪み速度依存性について明らかにした。その結果、結晶粒微細化法としてKドープ法と、照射欠陥の成長を抑制する効果が期待されるReを3％添加とを複合した合金が、非照射の環境下であるが、従来の純タングステンに比べて延性や強度において優れた特性を持つことを明らかにした。27年度はこれらの材料の合金化により改善した特性と、悪くなった特性、例えば再結晶温度や熱伝導率、強度などの値を用いて、有限要素法により熱負荷を加えた時のダイバータの健全性の総合評価を行った。さらに日米協力事業PHENIX計画での原子炉照射用試験片を作製し、その照射前特性を評価し、さらに原子炉照射のためのセットアップを行い、28年における原子炉照射の準備を行った。
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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
これまでに計画していた合金試料はすべて作製が終わり、熱処理による組織安定性や機械的特性および熱伝導率などの熱特性についても基本的な挙動がほぼ明かとなった。これで非照射の状態における材料の基本特性を得ることができ、有限要素法にこれらの物性値を入れて解析を行ったことで改良材と従来材で作製したダイバータタイルにおける熱応力分布などを予測できた。これにより、合金化による種々の物性値の変化に対するダイバータタイル内の変形の可能性を予測することが可能となった。これらについては学会発表とともに論文にまとめ出版された。また、原子炉照射用の微小引張り試験片を用いて、非定常加熱を想定して最高2300℃までの熱履歴を加えた試料を作製し、その組織および特性変化を調査した。これにより、ダイバータタイルで想定される応力負荷環境を想定した試験を実施した。作製したタングステン合金については、米国オークリッジ国立研究所の材料試験炉(HFIR)にて中性子照射するため、試験片作製と原子炉照射用キャプセルへの装荷を終え、28年度中に実施する中性子照射実験の準備をほぼ完了した。
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| Strategy for Future Research Activity |
28年度に原子炉を用いた中性子照射実験を進めて行く。また、中性子による重照射領域における組織安定性評価のために、H26年度から試験的にはじめた原子力研究開発機構高崎研究所の加速器を使った重イオン照射による損傷組織の解析を実施し、超微小押し込み試験による強度変化と組織変化との対応を明らかにし、レニウム添加による損傷への抵抗性の有効範囲を明らかにする。さらに核融合炉で想定される15～30dpaまでの高照射量領域の照射挙動を重イオン照射によって調べていく。また、これらのタングステン合金から模擬ダイバータ要素を作り、電子ビーム加熱装置にて高熱負荷を加えて、その挙動を調べ、数値シミュレーションの妥当性を検証する。さらにこれまでに作製し、一部先行して原子炉で照射したタングステン合金の試料に対して、熱伝導測定あるいは組織観察用試験片を作製し、これまでに作製したタングステン合金の原子炉照射に対する照射への抵抗性についてまとめる。
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