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

开发出极耐辐射损伤的β钛合金光束窗

• 批准号: 21H04480
• 负责人: 石田 卓
• 金额: $ 26.62万
• 依托单位: High Energy Accelerator Research Organization
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-05 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H04480/
• 关键词: チタン合金; 照射損傷; ビーム窓; 2次粒子生成標的; 大強度陽子加速器; ベータチタン; オメガ相

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。

This study is aimed at increasing the intensity and brightness of the world's leading positron accelerator facilities and improving the radiation damage resistance of materials under international collaborative research RaDIATE. In particular, J-PARC and FNAL have been designed to prevent radiation damage by 64-inch alloy manufacturing processes. Heavy particle irradiation of Dongda Atomic Force HIT is carried out under irradiation, quasi-stable βTi-15-3 alloy is irradiated and hardened at room temperature above 10dpa. Ti-15-3 is usually treated with α-phase precipitation, high temperature utilization, and irradiation hardening. Usually, the alpha phase precipitates are coarse, the escape field strength is weak, and the radiation damage resistance is low. Other, low temperature, high temperature, two-stage time treatment (ST2A), alpha phase precipitation, fine dust, 300℃ irradiation resistance, high performance for various applications The heat resistance of Ti-64 was confirmed by the test results. Ti-15-3 large pellet material adjustment, according to the forging process, micro-structure control implementation The mechanical properties of forged materials are recognized upward, and the movement direction of fine tissues is different. The production test of this forging material was carried out successfully, and the thin part of 0.39 mm was maintained in the current machine shape of Ti-15-3. ST2A heat treatment of the shape of the impact from small to small parts of the alloy production process to the initial stage of large The 20th International Conference on Nuclear Fusion Furnace Materials was held in Beijing.

项目成果

CERN(スイス)

欧洲核子研究组织（瑞士）

Fermi Accelerator National Laboratory/Pacific Northwest National Laboratory/Brookhaven National Laboratory(米国)

费米加速器国家实验室/太平洋西北国家实验室/布鲁克海文国家实验室（美国）

Irradiation damages of structural materials under different irradiation environments

• DOI: 10.1016/j.jnucmat.2020.152503
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Nuclear Materials
• 影响因子: 3.1
• 作者: E. Wakai;S. Takaya;Yoshinori Matsui;Y. Nagae;S. Kato;T. Suzudo;M. Yamaguchi;K. Aoto;S. Nogami;A. Hasegawa;H. Abe;Koichi Sato;T. Ishida;S. Makimura;P. Hurh;K. Ammigan;D. Senor;A. Casella;David Edwards

Investigation into Contrasting Radiation Damage Behavior between High-Strength Titanium Alloy Classifications and Micro-Structural Optimization

高强度钛合金分类辐射损伤行为对比研究及微观结构优化

• 发表时间: 2021
• 作者: 山下真優;他;Taku Ishida
• 通讯作者: Taku Ishida

チタン合金製陽子加速器ビーム窓の脆化原因を解明 ～ RaDIATE国際コラボレーションによる加速器標的・ビーム窓材料の開発 ～

阐明钛合金质子加速器束窗脆化原因 - 通过 RaDIATE 国际合作开发加速器靶和束窗材料 -

• 发表时间: 2021
• 期刊: Isotope News
• 作者: 石田卓;若井栄一
• 通讯作者: 若井栄一