高負荷粒子・エネルギー環境に耐える高信頼性対向壁用タングステン材料の開発

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24246151
• 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) ; 徳永 和俊 九州大学, 応用力学研究所, 准教授 (40227583) ; 長坂 琢也 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (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) ; 福田 誠 東北大学, 工学研究科, 助教 (70757666) ; 波多野 雄治 富山大学, 研究推進機構 水素同位体科学研究センター, 教授 (80218487)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 核融合炉 / プラズマ対向機器 / 高融点金属材料

研究実績の概要

本研究では、核融合炉において、高温環境下で中性子照射されたタングステンの高熱流束機器の構造材料として求められる照射脆化および再結晶脆化に対する抵抗性について、材料作製時に導入される層状組織や加工組織、さらに超微細結晶粒などの組織制御の効果や、レニウムなどの合金元素を添加する効果の有効性とその適用範囲を明かにし、さらに中性に起因する劣化の起こり難い材料を作製することが目的であった。
これまでの知見を基に粉末焼結法を用いて、数種類のタングステン合金を作製しこれまで作製した種々の合金における高温領域までの機械特性を調査した。その結果、結晶粒微細化法としてKドープ法と、照射欠陥の成長を抑制する効果が期待されるReを３％添加とを複合した合金が、非照射の環境下であるが、従来の純タングステンに比べて延性や強度において優れた特性を持つことを明らかにした。これらの材料の再結晶温度や熱伝導率、強度等の実際の材料データを用いて、有限要素法により熱負荷を加えた時のダイバータの健全性の総合評価を行い、従来材よりも高温での健全性が保てるという見通しがたった。さらに日米協力事業核融合分野PHENIX 計画で、米国オークリッジ国立研究所の材料照射試験炉（HFIR）で照射するための試験片を作製し、その照射前特性を評価しつつ、28年において実際の原子炉ける原子炉照射を3サイクル（3ヶ月間、約1dpa）の照射を行い、無事照射試験は完了した。原子炉照射と平行して、28年度は原子炉の照射環境である1100℃までの温度領域で、原子炉照射と同じ3ヶ月間の長期間焼鈍を行って、組織制御の熱的安定性を評価した。その結果、Kドープによる結晶粒組織の微細化を狙った開発材料がこの条件下でも安定であることが示され、照射下でも組織制御による再結晶化による脆化の抑制および高温強度が維持されることが期待されるという成果を得た。

現在までの達成度 (段落)

28年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

28年度が最終年度であるため、記入しない。

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
• [雑誌論文] プロジェクトレビュー 日米科学技術協力事業PHENIX計画 前半の成果と後半の研究計画 (2017)
  • 著者名/発表者名: 上田良夫、波多野雄治、横峯健夫、檜木達也、長谷川晃、大矢恭久、室賀健夫
  • 雑誌名: Journal of Plasma and Fusion Research 巻: 93 ページ: 127-145
  • 査読あり
• [雑誌論文] Baseline high heat flux and plasma facing materials for fusion (2017)
  • 著者名/発表者名: Ueda Yoshio, Schmid Klaus, Balden Martin, Coenen Jan, Loewenhoff Thorsten, Ito Atsushi, Hasegawa Akira, Hardie Chris, Porton Michael, Gilbert Mark
  • 雑誌名: Nuclear Fusion 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of the temperature and thermal stress in pure tungsten monoblock during heat loading and the influence of alloying and dispersion strengthening on these responses (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Fukuda, Shuhei Nogami, Wenhai Guan, Akira Hasegawa, Takeo Muroga
  • 雑誌名: Fusion Engineering and Design 巻: 107 ページ: 44-50
  • DOI: doi.org/10.1016/j.fusengdes.2016.04.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of self-ion irradiation on hardening and microstructure of tungsten (2016)
  • 著者名/発表者名: T.Hwang, M.Fukuda, S.Nogami, A.Hasegawa, H.Usami, K.Yabuuchi, K.Ozawa, H.Tanigawa
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 9 ページ: 430-435
  • DOI: doi.org/10.1016/j.nme.2016.06.005
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Neutron irradiation effects on the microstructural development of tungsten and tungsten alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: Akira Hasegawa, Makoto Fukuda, Kiyoiro Yabuuchi, Shuhei Nogami
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 471 ページ: 175-183
  • DOI: doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.10.047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Neutron energy spectrum influence on irradiation hardening and microstructural development of tungsten (2016)
  • 著者名/発表者名: Makoto Fukuda, N.A.P.Kiran Kumar, Takaaki Koyanagi, Lauren M. Garrison, Lace L. Snead, Yutai Katoh, Akira Hasegawa
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Materials 巻: 479 ページ: 249-254
  • DOI: doi.org/10.1016/j.jnucmat.2016.06.051
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Deuterium retention in W and W-Re alloy irradiated with high energy Fe and W ions: Effects of irradiation temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: Y.Hatano, K.Ami, V.Kh.Alimov, S.Kondo, T.Hinoki, T.Toyama, M.Fukuda, A.Hasegawa, K.Sugiyamam Y.Oya, M.Oyaidzu, T.Hayashi
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 9 ページ: 93-97
  • DOI: doi.org/10.1016/j.nme.2016.06.016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 原型炉に向けてのダイバータの研究開発課題 現状と展望 5.ダイバータ対向・構造材料と照射影響研究の現状と研究開発 5.1 タングステン (2016)
  • 著者名/発表者名: 長谷川晃
  • 雑誌名: Journal of Plasma and Fusion Research 巻: 92 ページ: 891-896
  • 査読あり
• [学会発表] タングステンおよびタングステン合金における損傷の組織発達における中性子・イオン照射相関に関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 長谷川晃，福田誠， 黄泰現，野上修平
  • 学会等名: 日本原子力学会 春の年会
  • 発表場所: 東海大学
  • 年月日: 2017-03-26 – 2017-03-29
• [学会発表] タングステン合金の引張特性に及ぼす熱履歴の影響 (2016)
  • 著者名/発表者名: 梶島侑馬，福田 誠，土田航平，野上修平，長谷川晃
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第33回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [学会発表] 組織制御した微細粒再結晶タングステンの特性評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大野悟史，福田誠，野上修平，長谷川晃
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第33回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [学会発表] 第二相を分散した タングステン - レニウム合金のイオン照射効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田畠 恒紀, 福田 誠, 黄 泰現, 野上 修平, 長谷川 晃
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第33回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [学会発表] タングステン合金の再結晶挙動 (2016)
  • 著者名/発表者名: 土田航平、福田誠、長谷川晃、野上修平
  • 学会等名: プラズマ・核融合学会 第33回年会
  • 発表場所: 東北大学青葉山キャンパス
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-02
• [学会発表] Mechanism of Neutron Irradiated Hardening of Tungsten (2016)
  • 著者名/発表者名: Akira Hasegawa
  • 学会等名: 13th China-Japan Symposium on Materials for Advanced Energy Systems and Fission and Fusion Engineering
  • 発表場所: Hefei, China
  • 年月日: 2016-09-26 – 2016-09-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 純タングステン及びタングステン合金の熱履歴による引張特性変化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長谷川 晃，梶島 侑馬，福田 誠，土田 航平，野上 修平
  • 学会等名: 日本原子力学会 秋の年会
  • 発表場所: 久留米シティプラザ
  • 年月日: 2016-09-07 – 2016-09-09
• [学会発表] Tungsten Material Developments for Plasma Facing Components of Fusion Reactor (2016)
  • 著者名/発表者名: Akira Hasegawa
  • 学会等名: The 7th International Symposium of Advanced Energy Science -Frontiers of Zero Emission Energy
  • 発表場所: 京都大学吉田キャンパス
  • 年月日: 2016-09-05 – 2016-09-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 核融合炉ダイバータへの適用に向けたタングステン合金の熱履歴による組織及び機械特性変化挙動の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 土田航平、梶島 侑馬、福田誠、長谷川晃、野上修平
  • 学会等名: 核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2016-07-14 – 2016-07-15
• [学会発表] 重イオン照射による純タングステン及びタングステン合金の照射影響評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 黄 泰現、福田誠、大野悟史、田畠恒紀、長谷川晃、野上修平、小沢和己、谷川博康
  • 学会等名: 核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2016-07-14 – 2016-07-15
• [学会発表] 原型炉に向けたダイバータ開発研究の加速方針 タングステンダイバータ材料開発 (2016)
  • 著者名/発表者名: 長谷川晃
  • 学会等名: 核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2016-07-14 – 2016-07-15
  • 招待講演