| 研究課題/領域番号 |
23K22480
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01209 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分14020:核融合学関連
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| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
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研究代表者 |
田中 照也 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (30353444)
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| 研究分担者 |
近田 拓未 静岡大学, 理学部, 准教授 (20614366)
佐藤 文信 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (40332746)
八木 重郎 京都大学, エネルギー理工学研究所, 准教授 (70629021)
菱沼 良光 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (00322529)
吉野 正人 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10397466)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
13,780千円 (直接経費: 10,600千円、間接経費: 3,180千円)
2025年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
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| キーワード | セラミック / 電気絶縁 / 照射効果 / 反跳金属原子 / セラミック材料 / 中性子環境 / 反跳原子 / セラミック被覆 / 金属原子 / イオンビーム |
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| 研究開始時の研究の概要 |
冷却材として液体金属を用いる先進核融合発電炉では、強磁場によるMHD圧力損失 (電磁ブレーキ効果) を抑制するために、金属配管の内壁に厚み1μｍ程度のセラミック電気絶縁被覆が施される計画であるが、高エネルギー中性子が大量に照射される炉内では、隣接する金属壁や冷却材中の金属原子が中性子によりはじき飛ばされて被覆層に入射し続けることになる。このはじき飛ばされた反跳金属原子は被覆材料中で0.3～6μｍの深さまで到達し、濃度も5年間の運転中に原子数比で数％のオーダーに達する。本研究では、反跳金属原子がセラミック電気絶縁被覆の絶縁性能に及ぼす影響とそのメカニズムを調べるための実験研究を展開する。
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| 研究実績の概要 |
反跳金属原子の入射を模擬したセラミック電気絶縁被覆を金属基板上に成膜するために、核融合研において３連るつぼを備えた電子ビーム蒸着装置を新たに構築し、セラミック材料と反跳金属原子を模擬した金属粒子の交互蒸着による成膜を可能とした。また、Y2O3被覆試料の成膜を開始し、X線光電子分光（XPS）により適切な組成比が得られることを確認するとともに、蒸着速度の評価等を実施した。引き続きセラミック材料と金属材料を同時に蒸着するための抵抗加熱蒸着源の追設を進めている。
被覆試料の微視的電流経路を観察する目的で、名古屋大学の原子間力顕微鏡(AFM)にConductive-AFMアタッチメントを設置した。前述のY2O3被覆を含む複数の電気絶縁被覆試料表面の観察を行い、表面微細構造の観察と同時に、被覆に生じた小孔等での漏れ電流経路の分布が明確に取得できることを確認した。今後、反跳金属原子の入射を模擬した電気絶縁被覆の漏れ電流経路の直接的な評価に威力を発揮することが期待できる。
中性子照射効果を模擬するためのイオンビーム照射実験立ち上げでは、異なる照射装置に共通して取り付けが可能な、照射下電気伝導測定用のフランジ付き試料ホルダーと測定系の構築を行った。また、核融合研のタンデム加速器に高温照射実験用ビームラインとチェンバーを新たに設置して、チェンバー中心までのビーム輸送を確認し、照射実験準備を完了した。静岡大学では、Y2O3、ZrO2被覆へLiイオンビームを入射させ、約0.1～1原子％のLi原子を含有する試料の製作が行われた。中性子照射損傷効果を模擬した1dpa(displacement per atom)のイオンビーム照射も行われ、現在、電気伝導度の変化について詳細評価が進められている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
反跳金属原子の入射を模擬したセラミック電気絶縁被覆を金属基板上に成膜するための電子ビーム蒸着装置の構築に若干遅れが生じた。そのため、実施計画に記載していた、“反跳金属原子入射を模擬して製作した絶縁被覆試料を高温状態で長時間保持した際の電気絶縁特性の変化を調べる実験“の開始が遅れることとなった。
この評価実験の実施については、電子ビーム蒸着装置の基本部分の構築は完了しており、セラミック材料と金属原子を交互に蒸着させる反跳金属入射模擬試料は成膜可能となっていること、また、高温での電気伝導特性評価はこれまでも本グループにおいて頻繁に実施してきていることから、次年度の早い段階で着手することが可能である。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度に構築した電子ビーム蒸着装置を用い、先進核融合炉用電気絶縁被覆の候補材料であるEr2O3、Y2O3、MgO、ZrO2等の被覆試料を金属基板上に成膜する。その際に、炉内で入射が想定される反跳金属原子（Li, Fe, Cr等）も併せて蒸着することで、金属原子含有被覆試料を製作する。様々なセラミック材料と含有金属原子の組み合わせの被覆試料に対し、核融合炉で想定される700℃までの高温、及び、最大数V/μｍの電界を印加して電気伝導度の変化を調べる。電気伝導度が増加した被覆試料について、本年度原子間力顕微鏡(AFM)に取り付けたConductive-AFMアタッチメントを使用し、微視的電流経路の直接観察を試みる。さらに、中性子照射損傷効果により材料原子が絶えず位置を変える複雑な核融合炉環境を模擬するために、被覆試料に核融合研のタンデム加速器、大阪大学オクタビアン施設等を用いてイオンビームを照射し、電気伝導度の変化を調べる。
被覆試料の初期材料状態、及び、上述の融合炉模擬環境下における材料状態の変化は走査型電子顕微鏡（SEM）、X線回折装置（XRD）、X線光電子分光分析装置（XPS）、軟X線分光分析装置（SXES）等を用いて分析し、電気伝導度変化との相関を調べる。また、イオンビーム照射中の発光スペクトルや電子ビーム及びレーザー誘起発光（カソードルミネッセンス、フォトルミネッセンス）スペクトルの測定は、セラミック材料の組成や結晶構造、結晶度の情報を与えることから、本研究に有効な分析手法として導入する。
以上の被覆試料製作、核融合炉模擬環境下にでの電気伝導度の評価、材料状態の分析に加え、高エネルギー粒子が入射した際の材料原子の挙動計算等を実施することで、過酷な核融合炉環境における金属原子含有電気絶縁被覆の絶縁特性変化のメカニズムを明らかにし、より長寿命化が望める材料の選択につなげる。
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