低放射化バナジウム合金のブランケット材としての適合性

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13480129
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 廣畑 優子 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00189896)
• 研究分担者: 山内 有二 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (80312388)
• キーワード: バナジウム合金 / 水素溶解度重水素イオン / チタン酸化膜 / 重水素イオン照射 / 昇温脱離法保 / 重水素保持量 / ヘリウムイオン照射 / ヘリウム保持量

研究概要

バナジウム合金(V-4Cr-4Ti)は中性子照射による誘導放射能の減衰が早く、高温下での機械的特性も良好なことから、核融合炉の構造材料の候補となっている。しかし、水素や酸素の吸収によって材料の脆化が起きることが問題となる。平成13年度は、V合金の水素ガスの溶解度を調べ、また、チタン酸化膜被覆による水素吸収の抑制効果も調べた。この研究では、以下の知見が得られた。(1)高純度のV合金では高温(>400℃)でかつ低圧(<1Pa)で使用すれば、水素ガス吸収による脆化は起きない。(2)低温領域(≦300℃)では脆化が起きる。(3)チタン酸化膜の膜厚の増加と共に水素吸収速度を低下させることが出来た。(4)クラックのない厚くて級密なチタン酸化膜を被覆すると、V合金の寿命を長くできる。平成14年度は、V合金への重水素イオンの照射(1.7keVD^+)による重水素保持特性を昇温脱離法を用いて調べた。照射温度は110℃と500℃(V合金製のブランケットの運転温度)である。この研究では以下の知見が得られた。(1)保持された重水素はD_2,HD, HDOとD_2Oの形で熱的に脱離した。(2)110℃で照射すると保持量は照射量と共に増加し、1×10^<19>D/cm^2まで飽和しなかった、(3)その保持量は黒鉛より1桁以上、タングステンより2桁以上多かった。(4)表面近傍に偏析したチタン酸化膜の存在が保持量に強く影響を与えた。(5)500℃の保持量は110℃よりも1桁小さかった。平成15年度は、引き続き重水素イオン照射実験を高照射領域まで行った。その結果、(1)500℃では高照射領域では保持量が減少し、(2)その量は照射量の0.1〜3%と非常に少なく、(3)同じ温度で照射した黒鉛とタングステンとほぼ同じであることが分かった。(4)V合金製のブランケットの運転温度が高いので、ガス吸収もイオン照射による水素保持量は少なくなることが分かった。平成15年度では、ヘリウムイオン照射実験も行った。これは核融合反応で生成されるヘリウムがブランケット材に照射され、材料特性に影響を与えることが予想されるので、イオン源を用いてヘリウムの保持特性を調べた。その結果、(1)ヘリウムは約230℃、530℃と930℃で熱的に脱離し、(2)保持されたヘリウム量は照射量と共に増加し、5×10^<18>He/cm^2で飽和した。以上の結果はバナジウム合金をブランケット材として使用する上で重要な知見となる。

研究成果

• [文献書誌] Y.Yamauchi, T.Yamada, Y.Hirohata, T.Hino, T.Muroga: "Deuterium retention in V-4Cr-4Ti alloy after deuterium ion irradiation"Proc.11^<th> International Conference of Fusion Reactor Materials (ICFRM-11). (in printing). (2004)
• [文献書誌] Y.Hirohata, Y.Yamauchi, et al.: "Deuterium retention of vanadium alloy, V-4Cr-4Ti"真空. 46. 756-759 (2003)
• [文献書誌] T.Hino, K.Yamaguchi, Y.Hirohata, et al.: "Plasma surface interaction studies on low activation"World Scientific. CZ4y3hzf. 1-8 (2001)
• [文献書誌] 元嶋大, 廣畑優子, 日野友明: "核融合炉ブランケット用バナジウム合金の水素吸収の低減"真空. 45・3. 273-276 (2001)
• [文献書誌] Y.Hirohata, D.Motojima, T.Hino: "Suppression of hydrogen absorption to V-4Cr-4Ti alloy by TiO_2/TiC coating"J.Nucl.Mater. 313-316. 174-178 (2003)