Development of extremely radiation-damage tolerant beam window made of beta titanium alloy

本研究では、日米欧の加速器機関と原子力研究機関による国際協力研究RaDIATEと共同し、世界の先端陽子加速器施設の大強度化・高輝度化にとって重要な、標的やビーム窓材料の耐照射損傷性の向上を図る。特にJ-PARCやFNALニュートリノ施設の64チタン合金製ビーム窓に代わり、析出相をナノサイズで制御して照射損傷を無効化したβチタン合金製のビーム窓を新たに開発する。東大原子力の重粒子照射施設HITで実施した照射実験により、準安定βTi-15-3合金は常温で10dpa以上まで照射硬化を起こさないことが明らかになった。Ti-15-3は一般に時効処理でα相を析出させ、高温での利用を可能としているが、Ti-64ほどではないが照射硬化が明確に観測された。通常の時効処理ではα相析出が粗大すぎるために逃げ場強度が弱まり耐照射損傷性が低下したためと考えられる。他方、低温から高温への2段階の時効処理（ST2A）によりα相析出を極微細化すると、300℃での耐照射性が維持され、ビーム窓用途に十分な性能を有することが明らかとなった。クリープ試験によりTi-64より耐熱性に優れていることも確認された。Ti-15-3の大型丸棒材料を調達、据込鍛造による微細組織制御を実施した。得られた鍛造材の機械的性能に顕著な向上が認められたものの、その微細組織には動径方向に顕著な非一様性が認められ、微細粒域に囲まれた粗大粒域が残留する結果となった。この鍛造材を用いビーム窓の製造試験を実施し、0.39㎜薄肉部を持つ現行実機形状でのTi-15-3製ビーム窓を製造することに初めて成功した。ST2A熱処理による形状変化の影響は小さいことが分かりβチタン合金製ビーム窓の実現に向けた最初の大きな一歩となった。成果について日米科学技術協力プログラム ハワイシンポジウム（ポスター賞受賞）、第20回核融合炉材料国際会議などにて発表を行った。

本研究では、日米欧の加速器機関と原子力研究機関による国際協力研究RaDIATEと共同し、世界の先端陽子加速器施設の大強度化・高輝度化にとって重要な、標的やビーム窓材料の耐照射損傷性の向上を図る。特にJ-PARCやFNALニュートリノ施設の64チタン合金製ビーム窓に代わり、析出相をナノサイズで制御して照射損傷を無効化したβチタン合金製のビーム窓を新たに開発する。東大原子力の重粒子照射施設HITで実施した照射実験により、準安定βTi-15-3合金は常温で10dpa以上まで照射硬化を起こさないことが明らかになった。Ti-15-3は一般に時効処理でα相を析出させ、高温での利用を可能としているが、Ti-64ほどではないが照射硬化が明確に観測された。通常の時効処理ではα相析出が粗大すぎるために逃げ場強度が弱まり耐照射損傷性が低下したためと考えられる。他方、低温から高温への2段階の時効処理（ST2A）によりα相析出を極微細化すると、300℃での耐照射性が維持され、ビーム窓用途に十分な性能を有することが明らかとなった。クリープ試験によりTi-64より耐熱性に優れていることも確認された。Ti-15-3の大型丸棒材料を調達、据込鍛造による微細組織制御を実施した。得られた鍛造材の機械的性能に顕著な向上が認められたものの、その微細組織には動径方向に顕著な非一様性が認められ、微細粒域に囲まれた粗大粒域が残留する結果となった。この鍛造材を用いビーム窓の製造試験を実施し、0.39㎜薄肉部を持つ現行実機形状でのTi-15-3製ビーム窓を製造することに初めて成功した。ST2A熱処理による形状変化の影響は小さいことが分かりβチタン合金製ビーム窓の実現に向けた最初の大きな一歩となった。成果について日米科学技術協力プログラム ハワイシンポジウム（ポスター賞受賞）、第20回核融合炉材料国際会議などにて発表を行った。