核融合炉ダイバータ実現に向けた高耐久性タングステン材料の開発

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01364
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 長谷川 晃 東北大学, 工学研究科, 教授 (80241545)
• 研究分担者: 野上 修平 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00431528) ; 宮澤 健 東北大学, 工学研究科, 助教 (00733726) ; 長坂 琢也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 教授 (40311203) ; 谷川 博康 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 六ヶ所核融合研究所 核融合炉材料研究開発部, グループリーダー(定常) (50354668) ; 外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50510129)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 中性子照射効果 / 核変換He効果 / 照射脆化抑制 / 材料組織安定性

研究実績の概要

米国のオークリッジ国立研究所の原子炉（HFIR炉）で照射した試験片の照射後の機械特性評価試験（硬さ測定、引張り試験等）を実施した。原子炉で500℃、800℃、1100℃で約1.1dpaの照射を行った試料の硬さを室温で測定後、500℃、700℃、900℃にて引張り試験を行い、強度と伸びを測定した。2018年度までに500℃、800℃照射材のデータを得ていたが、2019年度は1100℃照射材の照射後試験を行い、その強度特性変化や破壊挙動についての知見が得られた。500℃、800℃照射では応力除去処理材では照射硬化により強度が2倍に増加したにも拘わらず、ほぼ同じ伸びを示すことが明らかとなったが、1100℃照射においては照射初期に応力除去処理材において回復と再結晶化が進行し、その後照射欠陥集合体の形成で照射硬化が現れたと考えられるような変形挙動を示した。900℃で試験した際の強度は非照射の1100℃時効材とほぼ同じレベルであり、照射の影響はあまり明確には現れなかったが、700及び500℃と照射温度よりもより低温で試験をした場合には、強度が2倍程度になり、一方で伸びが大きく低下することが認められ、回復および再結晶化の影響が試験温度の条件により現れ方が異なることが明らかとなった。いくつかのW合金の中では、照射前より3%のReを含む合金の方が、破断伸びが大きく出る傾向が認められた。
これまで我々が新たに見出した加速器により注入した低濃度のHeによる再結晶抑制効果については、注入する量を2018年度よりもさらに減らしたHe濃度0.2および2appmの試験片を作製し、高温における再結晶抑制挙動を調べた。2appmでははっきりとした再結晶抑制効果が見られなかったことから、応力除去処理材中のセル組織の回復と再結晶を抑制するHe量は2～20appmの間にあることが得られた。

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

これまでの計画による装置整備により、放射化した試料に対して安全に熱処理と引張り試験が高温まで確実にできるようになった。これらの装置を用いて、中性子照射した放射化試験片だけでなく、大型加速器でHeを微量注入した試験片における照射欠陥を含む試料における1500℃までの温度条件下での加工組織の安定性と、1300℃までの引張り試験を行い、 目標とする照射材料の機械特性評価が300℃程度の比較的低温から、1300～1500℃の高温領域まで可能であることを示し、その温度範囲内における貴重な機械特性についての貴重なデータが純タングステンとタングステン合金で得られつつある。
原子炉照射材で課題となっていた中性子スペクトルによる核変換元素の生成量の違いに起因する照射誘起偏析の挙動や、それによる照射硬化の挙動と、試料の結晶粒内のセル組織との関係についての解析を電子線後方散乱散乱スペクトル（EBSD）等で評価できるようになり、微細粒組織の安定性と照射硬化や照射脆化との関係が明らかになりつつある。
これによりこれまで計画していた照射試験と照射後試験のかなりの部分の概略が明らかになりつつあるとともに、耐照射性に優れた組織安定性をもつ材料開発に必要な基礎データが蓄積されつつあると言える。

今後の研究の推進方策

2020年度においては、これまで機械特性評価を行った試料に対して、透過型電子顕微鏡やアトムプローブ解析を行って、照射硬化におよぼす照射欠陥集合体や照射誘起偏析、さらには加速器で注入したHeが形成する微細バブルの影響についての微細組織解析に重点を移し、今後の耐照射性タングステン材料の開発に必要な材料学的な機構論についての研究を進めていく計画である。そのために原子炉で照射したこれらの照射試験片を日本に輸送する日米間の調整はほぼ完了し、今年度の夏頃にはアメリカから試験片を日本に輸送し、東北大金研・大洗施設や工学研究科などのRI管理区域内での組織評価や熱的安定性の評価を進めていく予定である。
またこれまでに明らかにした核変換Heによるタングステン材料の加工組織の安定化作用についても、高精度の透過電子顕微鏡観察などを進めることで、タングステンの照射下および照射後における延性保持に有効とされる応力除去処理で肝要となる粒内のセル組織がどこまで安定であるのかについて調査を進めていく。

研究成果

• [国際共同研究] オークリッジ国立研究所(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: オークリッジ国立研究所
• [国際共同研究] カールスルーエ工科大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: カールスルーエ工科大学
• [雑誌論文] Neutron irradiation effects on the mechanical properties of powder metallurgical processed tungsten alloys (2020)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Miyazawa, Lauren M. Garrison, Josina W. Geringer, Makoto Fukuda, Yutai Katoh, Tatsuya Hinoki, Akira Hasegawa
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 520 ページ: 151910
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2019.151910
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Helium effects on recovery and recrystallization of powder metallurgically processed tungsten (2020)
  • 著者名/発表者名: Akira Hasegawa, Takeshi Miyazawa, Daichi Itou, Takaya Hattori, Kenta Yoshida, Shuhei Nogami
  • 雑誌名: IOP Publishing Physica Scripta 巻: T171 ページ: 151910
  • DOI: 10.1088/1402-4896/ab408d
  • 査読あり
• [雑誌論文] Response of unalloyed tungsten to mixed spectrum neutrons (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Katoh, L.L. Snead, L.M. Garrison, X. Hu, T. Koyanagi, C.M. Parish, P.D.Edmondson, M. Fukuda, T. Hwang, T.Tanaka, A. Hasegawa
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 520 ページ: 193-207
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2019.03.045
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phenix U.S.-Japan Collaboration Investigation of Thermal and Mechanical Properties of Thermal Neutron-Shielded Irradiated Tungsten (2019)
  • 著者名/発表者名: Lauren M. Garrison, Yutai Katoh, Josina W. Geringer, Masafumi Akiyoshi, Xiang Chen, Makoto Fukuda, Akira Hasegawa, Tatsuya Hinoki, Xunxiang Hu, Takaaki Koyanagi, Eric Lang, Michel McAlister, Joel McDuffee, Takeshi Miyazawa, Chad Parish, Emily Proehl, Nathan Reid, Janet Robertson and Hshin Wang
  • 雑誌名: Fusion Science and Technology 巻: 75 ページ: 499-509
  • DOI: 10.1080/15361055.2019.1602390
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Behavior of tungsten under irradiation and plasma interaction (2019)
  • 著者名/発表者名: Michael Rieth, Russell Doerner, Akira Hasegawa, Yoshio Ueda, Marius Wirtz
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 519 ページ: 334-368
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2019.03.035
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] タングステン材料の組織安定性と引張特性に及ぼすヘリウム注入濃度の影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 宮澤健、佐藤祐輔、羅杜、野上修平、長谷川晃
  • 学会等名: 日本金属学会第166回講演大会 2020年
• [学会発表] Helium Effects on Recovery and Recrystallization of Powder-Metallurgical Processed Tungsten (2019)
  • 著者名/発表者名: A. Hasegawa, T. Miyazawa, T. Hattori, D. Itou, S. Nogami, K. Yoshida
  • 学会等名: 17th Plasma Facing Materials and Components
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Study of effects of low concentration Helium on tensile properties of Tungsten by Helium implantation using a cyclotron (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Hasegawa, Takaya Hattoria, Takeshi Miyazawaa and Shuhei Nogami
  • 学会等名: Fifth International Workshop on Structural Material for Innovative Nuclear Systems (SMINS-5)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Proton irradiation effects on the microstructural development of tungsten (2019)
  • 著者名/発表者名: Seiya Nishimura, Shuhei Oizumi, Takeshi Miyazawa, Suhei Nogami and Akira Hasegawa
  • 学会等名: Fifth International Workshop on Structural Material for Innovative Nuclear Systems (SMINS-5)
  • 国際学会
• [学会発表] Microstructure development of tungsten exposed to helium implantation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Sato, Daichi Ito , Takaya Hattori , Takeshi Miyazawa Shuhei Nogami , Akira Hasegawa , Kenta Yoshida
  • 学会等名: Fifth International Workshop on Structural Material for Innovative Nuclear Systems (SMINS-5)
  • 国際学会
• [学会発表] Tensile behavior of tungsten materials irradiated with a thermal neutron shield (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Miyazawa, Lauren M. Garrison, Josina W. Geringer, Yutai Katoh, Tatsuya Hinoki and Akira Hasegawa
  • 学会等名: Fifth International Workshop on Structural Material for Innovative Nuclear Systems (SMINS-5)
  • 国際学会
• [学会発表] Helium Effects on Recovery and Recrystallization behavior and tensile properties of Powder-Metallurgical Processed Tungsten (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira. Hasegawa, Takeshi. Miyazawa, Takaya. Hattori, Daichi. Itou, and Shuhei. Nogami
  • 学会等名: 19th International Conference of Fusion Rector Materials (ICFRM-19)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] NEUTRON IRRADIATION EFFECTS ON MECHANICAL PROPERTIES OF TUNGSTEN ALLOYS (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Miyazawa, Lauren M. Garrison, Josina W. Geringer, Yutai Katoh, Tatsuya Hinoki and Akira Hasegawa
  • 学会等名: 19th International Conference of Fusion Rector Materials (ICFRM-19)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 粉末焼結タングステンの高温における組織安定性と機械特性に及ぼす 注入ヘリウムの影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 長谷川晃、服部剛弥、井藤大智、宮澤健、野上修平
  • 学会等名: 日本原子力学会 2019年 秋の大会
• [学会発表] 再結晶温度域にて中性子照射したタングステン材料の機械特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宮澤健、L. M. Garrison、J.W. Geringer、福田誠、加藤雄大、檜木達也、長谷川晃
  • 学会等名: 日本金属学会第165回講演大会 2019年
• [学会発表] タングステン材料の再結晶温度域における中性子照射後機械特性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宮澤健、L. M. Garrison、J.W. Geringer、福田誠、加藤雄大、檜木達也、長谷川晃
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会 2019年
• [学会発表] タングステン-レニウム合金の微細組織発達に及ぼすイオン照射による影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村星耶、宮澤健、三輪 美沙子、兪周炫、安堂正己、谷川博康、野上修平、長谷川晃
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会 2019年
• [学会発表] タングステン材料の引張特性に及ぼすヘリウム注入濃度の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 祐輔、羅 杜、宮澤 健、野上 修平、長谷川 晃
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会 2019年
• [学会発表] タングステン材料の高温組織安定性に及ぼすヘリウム注入濃度の影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 羅杜、佐藤祐輔、宮澤健、野上修平、長谷川晃
  • 学会等名: 第36回プラズマ・核融合学会年会 2019年