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高温重イオン照射と新組織追跡法の融合によるダイバータ接合面の実環境下原子挙動解析

研究課題

研究課題/領域番号 23K25850
補助金の研究課題番号 23H01153 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分14020:核融合学関連
研究機関九州大学

研究代表者

嶋田 雄介  九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (20756572)

研究分担者 菱沼 良光  核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (00322529)
吉田 健太  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (10581118)
池田 賢一  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20335996)
渡辺 英雄  九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (90212323)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円)
2026年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2025年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
2024年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2023年度: 8,060千円 (直接経費: 6,200千円、間接経費: 1,860千円)
キーワード核融合炉材料 / 電子顕微鏡 / 重イオン照射 / 核融合材料 / 材料組織 / その場観察
研究開始時の研究の概要

核融合炉ダイバータは、過酷環境下において使用されることから諸特性に優れる金属材料の異種接合によって構成されている。一方で、異種金属界面は組織、特性において特異点となることから、本研究では、ダイバータ接合体組織設計指針提案のため、実用環境下におけるダ接合界面の組織定量追跡による新規評価技術の開発を行う。最終的には、材料組織学とデータ科学の融合により現象論から組織制御へと繋げ、プロセスへとフィードバックすることで、接合条件の最適化を行う。この成果は、核融合炉ダイバータにのみならず、照射環境下に置かれる多くの材料における材料開発の加速化を促進するものと考えられる。

研究実績の概要

本研究は、実用を模擬した環境下における核融合炉ダイバータの接合界面に注目した原子挙動の解析を目的としている。具体的には、試料としてはアーマー材であるタングステンとヒートシンク材である酸化物分散強化銅合金を、ニッケル-リン系の金属ろう材(BNi-6)によりブレージング接合したものを用いた。また、照射光源を重イオンとし、想定温度は500℃程度を予定している。そのなかで、本年度の主な実施内容は、①高温重イオン照射実験の環境構築と②材料作製と室温重イオン照射実験を挙げていた。その成果概要を以下に示す。
①高温重イオン照射実験の環境構築:高温重イオン照射のアタッチメントについて、稼働可能であることを確認するとともに、欠陥挙動観察用の原子分解能その場観察システムの導入を実施した。
②材料作製と室温重イオン照射実験:以前の研究にて、ペースト状のBNi-6を用いると粗大な空隙ができたことから、均一性向上のためシート状のものを使用して接合材を作製した。本手法でも拡散に伴う空隙は残るものの接合材の作製に成功した。本試料について室温重イオン照射(3~10 dpa)を施した。このときdpaは計算により試料表面から600 nm程度の領域に最大であることが算出されており、押し込み深さが計算値と一致するよう微小硬さ試験条件を選択した。微小硬さ試験はナノインデンテーションを使用し、測定条件決定のため、硬さの深さ依存性測定に取り組み始め、プレリミナルなデータ取得を実施したところである。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度は研究期間初年度として目的としていた①高温重イオン照射実験の環境構築と②材料作製と室温重イオン照射実験について、それぞれ概ね達成していると思われるためである。①については、高温組織観察用の加熱システムの導入を実現し、その性能テスト段階まで進めることができた。②については、タングステンと酸化物分散強化銅合金をニッケル-リン系の金属ろう材によりブレージング接合した試料を作製、さらには同試料において室温での重イオン照射を実施した。本試料は微小硬さ試験も実施しており、計算された照射量との相関取得を始めているなど、次年度の高温重イオン照射に向けた基準データ取得についても順調に進んでいると言える。

今後の研究の推進方策

、2024年度は特に本研究課題の主要実験となる高温照射ならびに組織変化過程の観察をすすめる。具体的には、2023年度に導入した加熱ホルダーを活用して300℃から500℃での重イオン照射ならびに欠陥回復挙動のその場観察を実施し、照射時の原子拡散促進の効果による組織・特性変化解明を試みる。この時の試料は、2023年度と同様の手法にてCu/Wブレージング接合体を作製して使用する。また、材料特性評価として、ナノインデンテーションによる微小硬さ試験を照射量を変化させながら実施する。
2025年度以降は、2024年度までに確立したノウハウを活用し、作製プロセスや照射条件を変えながら組織情報と材料特性データを取得する。さらにその場加熱観察から、実用環境にて起こり得る組織変化についての解析を行うことで、接合-照射-特性-組織間の相関の導出を試みる。
最終的には得られたデータから、ブレージングプロセス改善指針についての提案、さらには実際に見出された条件にて試作までを実施する。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (7件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] 雰囲気制御ガスアトマイズ法を用いた酸化物分散強化Cu合金粉末の作製2024

    • 著者名/発表者名
      SATO Mitsutaka、SHIMADA Yusuke、HISHINUMA Yoshimitsu、MASAHASHI Naoya
    • 雑誌名

      粉体および粉末冶金

      巻: 71 号: 10 ページ: 467-473

    • DOI

      10.2497/jjspm.23-00017

    • ISSN
      0532-8799, 1880-9014
    • 年月日
      2024-10-15
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Microstructure and mechanical property of Y2O3-based ODS-Cu alloy fabricated by MA-HIP with novel elemental addition process2023

    • 著者名/発表者名
      Shimada Yusuke、Nakajima Yuta、Hishinuma Yoshimitsu、Ikeda Ken-ichi、Noto Hiroyuki、Muroga Takeo、Yoshida Kenta、Konno Toyohiko J.、Nagai Yasuyoshi
    • 雑誌名

      Materials Chemistry and Physics

      巻: 307 ページ: 128223-128223

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2023.128223

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 原子分解能その場加熱観察による規則合金への電子線照射効果解析2024

    • 著者名/発表者名
      嶋田 雄介、吉田 健太、今野 豊彦、永井 康介
    • 学会等名
      超高分解能顕微鏡法分科会 研究討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] MA-HIP法により作製したODS-Cu合金の機械特性と微細組織2023

    • 著者名/発表者名
      嶋田 雄介 , 佐藤 充孝 , 菱沼 良光 , 池田 賢一 , 能登 裕之 , 室賀 建夫 , 今野 豊彦 , 永井 康介
    • 学会等名
      日本銅学会 第63回講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 雰囲気制御ガスアトマイズによるヒートシンク用Cu合金粉末の作製2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤 充孝 , 嶋田 雄介 , 池田 賢一 , 菱沼 良光
    • 学会等名
      日本銅学会 第63回講演大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 3D Microstructural Observation in MgB2 Polycrystalline Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Shimada, Satoshi Hata, Akiyasu Yamamoto, Yoshimitsu Hishinuma, Akiyoshi Matsumoto, Hiroaki Kumakura
    • 学会等名
      The 8th International Conference on Superconductivity and Magnetism
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Novel grain boundary network analysis method for Ba-122 polycrystalline bulk based on multiscale crystallographic orientation data2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Shimada, Shota Ishiwata, Yuta Hasegawa, Shinnosuke Tokuta, Koki Muraoka, Takuto Kojima, Zimeng Guo, Satoshi Hata, Hiroaki Kudo, Noritaka Usami, Akiyasu Yamamoto
    • 学会等名
      MRM 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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