Control of vacancy concentration and hydrogen isotope retention in neutron-irradiated tungsten alloys for fusion applications
| Project/Area Number |
18H03688
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 14:Plasma science and related fields
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| Research Institution | University of Toyama |
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Principal Investigator |
波多野 雄治 富山大学, 学術研究部理学系, 教授 (80218487)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大宅 諒 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (10804750)
外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50510129)
大野 哲靖 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
矢嶋 美幸 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (70749085)
大矢 恭久 静岡大学, 理学部, 准教授 (80334291)
Lee HeunTae 大阪大学, 工学研究科, 講師 (90643297)
信太 祐二 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80446450)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥44,330,000 (Direct Cost: ¥34,100,000、Indirect Cost: ¥10,230,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2019: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
Fiscal Year 2018: ¥27,690,000 (Direct Cost: ¥21,300,000、Indirect Cost: ¥6,390,000)
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| Keywords | 核融合学 / プラズマ壁相互作用 / 核融合材料 / トリチウム / 照射欠陥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Wは融点および熱伝導率が高いなどの特長から、核融合炉プラズマ対向材料として有望視されている。しかし、W中の格子欠陥（空孔など）が水素同位体を強く捕捉することがわかっており、核融合反応によって生じる高エネルギー中性子の照射を受けると、核融合炉の燃料であり水素の放射性同位体であるトリチウムの蓄積量が著しく増大することが懸念される。我々はWにReを5％まで添加したW-Re合金に高エネルギーFeイオンを照射し、500℃以上の温度では空孔型欠陥の形成が抑制され水素同位体蓄積量が桁違いに減少することを見出した（Hatanoら, Nucl. Mater. Energy 2017）。しかし、その機構を明らかにするには至っていなかった。
本研究ではまず、W中の欠陥との相互作用という観点からReとの比較対象としてTa、Mo、Crに着目した。ReはW中の自己格子間原子（SIA）と引力的に相互作用し、Crも同様に引力的相互作用をするが、Moは相互作用が弱く、Taは斥力的に相互作用すると予測されている（Suzudoら, J. Nucl. Mater. 2018）。これらを比較することにより、SIAとの相互作用が空孔型欠陥形成および水素同位体蓄積の抑制に重要か否かが明らかになると期待される。W-Mo、W-Ta合金についてはゾーンメルト法で良質な試料が得られたため、Feイオンを照射し重水素の蓄積を調べたところ、純Wと比べて大きな差は見られなかった。すなわち、今のところSIAとの引力的相互作用をするReのみで添加効果が見られている。Crについては粉末冶金法で製造された試料を調達し、現在微細組織の分析を進めており、来年度水素同位体蓄積を調査する予定である。また、中性子照射材の測定に向けて、放射線管理区域内に水素同位体分布測定のためのグロー放電発光分析装置を設置し、定量評価のための検量線を作成した。
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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
当初予定通り、W中の格子欠陥（自己格子間原子）との相互作用が大きく異なるRe、Ta、Mo、Crについて二元系合金試料を調製し、一部の試料については高エネルギーFeイオン照射と、その後の重水素蓄積量の評価を実施できた。また、中性子照射試料中に形成された欠陥と水素同位体原子の結合エネルギー（捕捉エネルギー）を評価する上で水素同位体の深さ方向分析が必要になるが、そのためのグロー放電発光分析装置を東北大学金属材料研究所附属量子エネルギー材料科学国際研究センターの放射線管理区域内に設置した。また、スパッタ成膜法で調製したWと重水素の混合堆積層を用いて、定量評価に必要な検量線を作成した。以上のことから、概ね順調に進捗していると結論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
W-Cr合金試料に高エネルギーFeイオンを250～1000℃で照射し、照射欠陥の形成と重水素蓄積挙動を調べる。Reと同様に抑制効果が見られれば、自己格子間原子SIAと強い引力的相互作用をする元素が空孔型欠陥の形成を抑制するというSuzudoら（J. Nucl. Mater. 2018）のモデルが裏付けられることとなる。また、これまでにFeイオン照射を行ったW-Ta、W-Mo合金と共に、微細組織の分析を行う。さらに、日米科学技術協力事業核融合分野PHENIX計画で高温中性子照射を行ったW-Re合金について重水素の蓄積量を測定し、高エネルギーFeイオン照射時と同様に空孔型欠陥の形成と水素同位体の蓄積が抑制されるかを確認する。また、この試料についても微細組織の分析を進める。
さらに、純Wを含めて、照射欠陥による水素同位体捕捉における同位体効果を調べる。主な捕捉サイトとして考えられる空孔型欠陥には、単空孔から、大きく成長したクラスタ（ボイド）までのバリエーションがある。空孔型欠陥のサイズが大きくなるほど水素同位体との結合エネルギーが増大する（より強く捕捉される）と報告されているが、同位体効果については知見がほとんどない。そこで、サイズが制御された空孔型欠陥を含む試料を電子線照射や重イオン照射、照射後焼鈍等を組み合わせて調製したうえで、軽水素、重水素、トリチウムを導入し、捕捉エネルギーの同位体依存性と、そのサイズ依存性を調べる。
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Report
(1 results)
Research Products
(9 results)
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[Presentation] Deuterium retention in neutron irradiated tungsten-rhenium alloy and potassium-doped tungsten2018
Author(s)
M. Oya, H.T. Lee, T. Yamane, A. Nakamura, H. Ito, T. Kuwabara, M. Yajima, T. Toyama, K. Suzuki, M. Takagi, N. Ohno, Y. Ueda, Y. Hatano
Organizer
23rd International Conference on Plasma Surface Interactions in Controlled Fusion Devices
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[Presentation] 中性子照射されたW-Re合金とK-doped Wの水素同位体吸蔵特性2018
Author(s)
大宅諒, Lee Heun Tae, 中村揚, 伊東英貴, 桑原竜弥, 矢嶋美幸, 外山健, 鈴木克弥, 高木誠, 大野哲靖, 上田良夫, 波多野雄治
Organizer
第12回核融合エネルギー連合講演会
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