| 研究課題/領域番号 |
16K06945
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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, ヘリカル研究部, 准教授 (30353444)
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| 研究分担者 |
菱沼 良光 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (00322529)
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)
佐藤 文信 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40332746)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 熱電対 / ひずみセンサー / 照射効果 / イオンビーム / 薄膜 / 組成変化 |
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| 研究実績の概要 |
核融合炉内で熱電対温度センサーを使用した際に、核変換に伴う組成変化がセンサー応答に与える影響を調べた。立案当初から対象としていたクロメル-アルメル(K)熱電対に加え、強磁場下でのセンサーとして適している可能性があるナイシル-ナイクロシル(N)熱電対についても対象とし、ブランケット第一壁近傍においてブランケット寿命である7年、また、放射線遮蔽体位置において炉の寿命である40年の使用を仮定した際の核変換量を算出した。その結果に基づき、熱電対材料にマンガン、鉄、コバルト等の核変換生成元素の粉末を最大３％程度添加してアルミナるつぼに入れ、加熱炉を用いてAr雰囲気中1600℃で溶解することでボタン型インゴットを得た。このインゴットを圧延した後に細線状に切断し、核変換模擬熱電対を製作した。エネルギー分散型X線分析による添加元素の濃度分布測定結果に著しい偏りは見られなかった。核変換模擬熱電対の応答を、大気中でブランケットの最高温度800℃まで昇温し、市販の熱電対の応答と比較した。K熱電対では、ブランケット位置での7年間使用を模擬した試料では約20％、遮蔽体位置での40年使用を模擬した試料では約7％、また、N熱電対は各々、約25％、及び、約10％低い温度を示した。核変換生成元素の重量比にほぼ比例して測定温度が低下しており、今後、核融合炉設計の他、核融合炉環境を模擬するための強力中性子源施設を用いた材料照射試験等における温度センサーの特性変化予測が可能になる。
また、この組成が変化した際の熱電対の応答変化のメカニズム考察については、密度汎関数法による電子状態計算を適用することとし、VASPおよびWIEN2kコードを導入し、簡単な組成の金属等について予備的な解析計算を開始している。
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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
熱電対温度センサーの応答に対する中性子照射損傷の影響を模擬して調べるための薄膜熱電対試料に対するイオンビーム照射実験については、ビーム径が大きく、広範囲に均一照射が可能な大阪大学オクタビアン施設の加速器の利用が本研究には最も適していると考えられる。2017年度のK熱電対薄膜試料を対象とした予備的な照射試験に続き、2018年度、引き続き各種薄膜センサー試料に対する照射実験を計画していたが、2018年6月の大阪府北部地震の影響で実施を延期した。2019年度、加速器の機能が復旧見込みであり、照射実験の実施を計画している。また、復旧まで時間を要する事態になった際には、他のイオンビーム照射装置の利用を検討する。
中性子環境下での核変換に伴う組成変化がセンサー応答に与える影響については、熱電対センサーに加えて、ひずみセンサーも対象としている。本年度、当初の計画になかったナイシル・ナイクロシル(N)熱電対の実験を優先したため、ひずみセンサーに対する組成変化影響を調べる実験が若干遅れており、2019年度に実施する。現在、ひずみセンサー材料としてはニクロムVを想定しており、本年度実施した熱電対材料と同様のニッケル系合金であるため、大きな問題なく組成変化の影響を取得できると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
[1] 薄膜センサー試料へのイオンビーム照射実験：照射損傷効果を模擬するためのイオンビーム照射実験を、アルミナ基板上にスパッタ蒸着により製作したクロメル-アルメル、ナイシル-ナイクロシル薄膜試料を中心に実施する。この実験では、最大20mmφのビーム照射領域内に温度勾配を設けることで薄膜センサーの照射損傷に伴う特性変化を調べる必要があるが、本年度の実験で、特性変化を正確に評価するためには、試料ホルダーの改良とともに、アルミナ基板上のより正確な温度分布の評価が必要であることがわかった。アルミナ基板上の温度分布を赤外線サーモグラフィにより正確に評価することにより、2019年度中の評価技術確立を目指す。また、W-WRe熱電対材料についても、蒸着装置を用いたイオンビーム照射用薄膜試料の製作、及び、特性評価を進めるとともに、蒸着装置を用いた高融点センサー材料の組成変化試料の製作の可能性について調べる。
[2] 核変換に伴う組成変化模擬センサーの特性評価：ひずみセンサー材料に対する核融合炉内での核変換量の計算を行い、本年度と同様に、核変換生成元素の微粉末を添加して溶解によりボタン型インゴットを得る。さらにインゴットの圧延により、センサー試料を作製する。ひずみセンサーについては電気抵抗値を測定し、抵抗値変化と組成変化の関係を調べる。
[3] 電子状態計算：引き続き、市販熱電対材料の組成、及び、核変換を模擬した熱電対組成に対して、電子状態計算を進める。さらに、ボルツマン輸送方程式を用いた解析を組み合わせたゼーベック係数の概算を合わせて適用することで、特性変化の傾向を予測することを目指す。
研究進捗状況については、国内・国際会議等において報告、議論を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度の終盤の実験において、イオンビーム照射済み薄膜熱電対試料の正確な温度分布測定に改善すべき点があることが分かった。その手法を確立してから、翌年分の助成金と合わせて、試料ホルダーの改良等を行うことで、助成金の有効的な利用を図る。
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