2018 Fiscal Year Research-status Report
Study of hydrogen trapping at vacancy-type defects in tungsten and their growth promote effect by hydrogen
| Project/Area Number |
17K06993
|
|---|
| Research Institution | Kyushu University |
|---|
Principal Investigator |
大澤 一人 九州大学, 応用力学研究所, 助教 (90253541)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50510129)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 核融合 / タングステン / 水素 / 空孔 / 第一原理計算 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
タングステンは核融合炉のプラズマ対向材料として研究が進められている。タングステンは水素が殆ど溶解せず、高融点で耐摩耗性に優れている。しかし、プラズマ等の照射で作られる空孔型欠陥にはかなりの量の水素（水素同位体）が捕獲される可能性がある。単原子空孔中の水素については先行研究があるので、本研究では二原子空孔中の水素の安定構造や結合エネルギーを第一原理計算に基づいて計算した。さらに、他の金属と違いタングステンの二原子空孔は単原子空孔よりもエネルギー計算によると不安定であることが予測される特異な金属であることも併せて研究対象とした。
二原子空孔自身の安定性や二原子空孔に捕獲された水素原子の安定構造を詳細に計算した。また、水素の零点振動エネルギーを計算することで水素同位体による違いも調べた。計算は主に、第一原理の計算コードであるVASPを使った。また、計算機は九州大学の大型計算機や量研機構の計算機を用いた。
タングステンの二原子空孔は<111>方向の配置が安定である。水素を捕獲してもその構造は変わらない。また、水素はO-siteと呼ばれる位置の近傍が安定であるが、タングステンでは二原子空孔の接合部にあるO-siteの方が水素を引き付ける力が強い。そのため接合部に優先的に水素が配置されることがわかった。これより、水素の最安定構造の法則性が見えてきた。
また、二原子空孔自身はエネルギー計算によると単原子空孔よりも不安定である。しかし、水素を捕獲することで著しく安定化する。本研究で予測していた水素による空孔型欠陥の安定化の証拠が見えてきた。さらに、水素同位体によって安定化の程度が違い、重い水素同位体(重水素や三重水素)の方が通常の水素よりも安定化に大きく寄与する。これは燃料として水素同位体を使う核融合炉の材料研究にも関与する現象と考えられる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
タングステン中の二原子空孔の安定構造、さらにそこに捕獲された水素および水素同位体の安定構造の詳細な計算が終わった。さらに、水素同位体の種類によって安定な構造が異なることも分かってきた。また、二原子空孔でも単原子空孔で見られたような特異な水素の安定構造が見つかった。通常のBCC金属中の空孔型欠陥ではO-siteと呼ばれる場所の近傍に水素が１つだけは位置される。しかし、タングステンの空孔では１つのO-siteを2個の水素が共有する配置をとることができる。このような配置がタングステンとモリブデンにだけ見られる特異な安定構造である。そのためO-siteの数以上に水素が空孔型欠陥内に捕獲される可能性がある。
本研究では当初予期していなかったことがあった。それは、タングステン中の二原子空孔は不安定であることが計算では予測された。しかし、空孔型欠陥の構造を観測できる陽電子消滅寿命測定を行っている実験では、二原子空孔やそれよりも大きな多原子空孔も生成されるという結果が得られた。このことは、本研究で行ったエネルギー計算と実験結果が矛盾していることを示唆する重要なできごとである。そこで、その矛盾を解決するためにタングステン材料中に多くある不純物元素の影響や振動エントロピーによる効果含めた計算を始めた。その結果、空孔型欠陥を安定化させる要因としては、不純物も振動のエントロピーの影響も考えられて、実験結果を説明できることが分かってきた。当初の予測とは異なるものの新しい研究課題が得られたと考えている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究で行っている第一原理計算と陽電子消滅寿命測定を行っている実験の連携を考えている。当初の予想に反してタングステン中では単原子空孔が結合して二原子空孔が形成されることが実験的に示された。しかしながら、これは計算で想定していなかった試料中の不純物元素や振動のエントロピーによる影響を考慮すると説明ができることが分かってきた。そこで、水素以外の元素の影響も含めてタングステン中の空孔型欠陥やその安定性について研究を進めてゆく予定である。さらに、自由エネルギーを考慮することで温度の影響についても研究してゆく予定である。
|
| Causes of Carryover |
論文投稿費用を予定していたが、審査中であるため。
|
