2013 Fiscal Year Annual Research Report
核融合炉水素化物遮蔽ブロックの水素保持特性評価および特性向上・長寿命化の研究
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25289344
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
田中 照也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (30353444)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
相良 明男 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (20187058)
菱沼 良光 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (00322529)
近藤 正聡 東海大学, 工学部, 講師 (70435519)
吉野 正人 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10397466)
坂上 裕之 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (40250112)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 水素化物 / 中性子遮蔽材 / 粉末プレス / 熱伝導 / 重量密度 / ZrH2 / TiH2 |
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| Research Abstract |
本研究課題では、水素化物粉末プレスによるブロック体を試作し、その水素保持特性の評価と特性向上を目指している。今年度、本研究で使用する市販TiH2、ZrH2粉末材料についてTG－DTA測定を行い、水素含有量、高温での水素脱離、及び、酸化特性に関する基礎データを確認した。また、ブロック試作の第一段階として、超硬ダイスを用いた室温プレス成型により10mmφx1~2mm厚のディスクを試作した。この手法によりTiH2、ZiH2ディスクの密度を理論密度の90％程度とするための圧力は、各々、900MPa、1200MPaであった。室温から350℃までの熱伝導率については、14W/m/Kと7W/m/K程度であり、バルク水素化物の熱伝導率の文献値と比較して、各々約70％、10％であった。これら基礎データは、今後のブロック大型化の検討や核融合炉における水素化物中性子遮蔽体の特性評価、除熱設計に利用するとともに、高密度化、水素保持・熱伝導特性向上の研究を推進する。
本課題における水素保持安定性評価の際に、水素化物ブロック内の水素分布を測定・評価する手法として、将来の核融合炉内における遠隔検査への応用も考えられるラマン分光、LIBS（レーザー誘起発光）の光学測定手法の適用を試みた。しかしながら、H25年度、両手法とも水素化物に対する明確な信号が取得されておらず、引き続き測定パラメータの調整を試みている。
また、Tiについては高純度の材料入手が容易であるものの、Zrについては多くの市販材料がHf不純物を含んでいる。3wt％のHfを含有したZrを核融合炉で使用した際の放射化を計算により評価したところ、運転停止後3-100年後の線量率が純粋なZrと比較して2桁程度高くなり、使用を著しく妨げるものではないが、低放射化の観点から注意すべき要素であることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
最終的に本課題での特性評価を目指している大型水素化物遮蔽体ブロックの試作に向け、今年度は市販のTiH2、ZrH2粉末を用いて小型の10mmφディスクをプレス成型により試作した。今後のブロック大型化の検討にとって最も重要なプレス圧力と密度の関係を取得するとともに、高温水素保持特性、熱伝導等の特性評価を進めていくための研究者間の連携体制を整え、基礎データの取得を行った。取得した特性データに基づき、高密度化および熱伝導率向上のための新手法が提案されており、来年度より新たに取り組むこととなった。ブロック状試料の水素保持・脱離特性については、当初の計画ではセラミックヒーター加熱による昇温脱離装置の利用を計画していたものの、試料の効率的な均一加熱が難しく、赤外線ランプ加熱による評価装置の構築を進めている。一方で、基礎データの確認は急ぐ必要があるため、TG-DTA装置を用いて粉末材料の水素脱離・酸化特性のデータを取得した。その他、FE-SEMによる表面微細観察等、小型プレス成型試料の作製と基礎データ取得については概ね予定通りに進行していると判断している。
一方、遮蔽体ブロック内の水素化物分布を光学測定により評価する試みについては、ラマン分光、LIBS測定ともに水素化物に対応する信号の確認ができておらず、計画に対して遅れている。核融合炉における遠隔診断手法確立の観点からも、LIBS測定におけるレーザーパルスと分光測定のタイミング調整等、引き続き光学測定の試みを続ける。一方、研究代表者の所属組織ではH26年度から水素分布分析を可能とする加速器が稼働することや、破壊分析ではあるが、ブロック試料を切断して脱ガス分析を行うなどの手法が考えられるため、今後の大型水素化物ブロック内の水素化物分布評価を遂行する上での大きな妨げとならないと考えている。
以上の2点から、全体としてやや遅れていると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 粉末プレス試料の特性向上および大型化： 水素化物粉末に別の低放射化金属微粉末を混合、もしくは、コーティングすることで、高密度化や熱伝導度向上の可能性を調べる。また、試料サイズについては、遮蔽ブロックにおける水素化物保持特性の評価のために、超硬ダイスを用いたプレス加工もしくはCIP（低温等方プレス）により3cmφ以上の大型化を図る。
(2) 水素保持特性向上の試み： 水素化物遮蔽材料の水素保持特性向上の試みとして、金属原料を含有した有機溶剤を用いるMOD(Metal Organic Decomposition)法等により、水素化物ディスクの表面に酸化物被覆を施し、高温領域における水素放出速度の低減効果を調べる。
(3) 大型粉末プレス試料の水素脱離特性評価： 試料寸法と水素脱離特性の関係の他、実験雰囲気を真空、流動純He及び水素含有He冷却ガス、大気等に変化させて、脱水素量や酸化との関係を調べる。また、金属ジルコニウムディスクへの水素吸蔵による充填率が100％の試料と粉末プレスによるブロック試料との特性比較を行う。照射効果による水素脱離加速の有無については、室温もしくは昇温したディスク試料の表面へのX線やイオンビーム照射実験により調べることを検討している。
(4) 使用環境設定へのフィードバック： 各種実験で得られる水素挙動特性から、各材料中の水素保持割合、溶解度、拡散速度、表面酸化膜バリア効果や異材料間の界面における律速過程などの物理化学過程の理解、定量的な評価を目指す。これにより核融合炉内において許容される使用環境や冷却材喪失等の事故事象時における水素保持・放出挙動を予測し、核融合炉の安全性確保に寄与する有効な遮蔽設計案につなげる。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
支払いが次年度になったため。
翌年度分として請求した研究費と合わせて有効に使用する。
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