核融合炉ダイバータ用タングステン被覆炭素材の開発と熱・粒子負荷特性評価

聚变反应堆偏滤器用钨涂层碳材料的开发及热负荷和粒子负荷特性的评价

• 批准号: 09780468
• 负责人: 徳永 和俊
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1997
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1997 至 1998
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-09780468/
• 关键词: 核融合装置; ダイバータ板; 高熱負荷; タングステン; 炭素材; 粒子負荷; 水素同位体; ヘリウム; プラズマ・材料相互作用; 高融点金属材料; 炭素材料; 接合

本年度は、2年計画の最終年である。本年度は、熱負荷を受けたサンプルの材料科学的な評価を完成するために、電子ビーム照射による熱負荷を受けたタングステンコーティング炭素材に対して、断面の接合界面部における組成・組織観察を行い、高温下における物質移動・組織安定性について調べた。試料は、炭素材の表面に、多層構造をした緻密なW/Reを被覆し、その後、プラズマスプレイにより厚いタングステンを被覆した。各種の組成分析及び硬度測定の結果、高温時、炭素材のカーボンがコーティング層に拡散するが、炭素材表面に被覆された、拡散係数の低いRe層が、最初に、炭素の拡散バリアとなる。さらに、Reに隣接する第一層のタングステンにタングステンカーバイドが形成される。この部分にタングステンが蓄積されると共に、タングステンが、カーバイド化されると拡散の活性化エネルギーが大きくなり炭素の拡散バリアとなる。これらにより、プラズマスプレイにより被覆された厚いタングステン部分に、脆いタングステンカーバイドが形成されることを抑制することが明らかとなった。電子ビーム加熱後では、表面温度が、2800℃程度まで加熱された試料では、接合界面での多層の構造が変化し、合金が形成されているが、構造は、層状となっている。表面が、溶融した試料では、界面での多層構造が消失し、広い領域にわたり、新しい組織が形成されている。このような高温で使用するためには、さらに、カーボンの拡散バリアとなる層を被覆すれば、高温特性がさらに良好になるもとの考えられる。また、水素同位体及びヘリウム粒子負荷による材料損傷についても実験を行った。特に、ヘリウムの場合、タングステン中の欠陥との結合が強く、高温まで、材料に残留し損傷・損耗に影響を及ぼすことが明らかとなった。

今年是两年计划的最后一年。在今年，为了完成受热负荷的样品的材料科学，我们在钨涂层碳涂层的横截面的界面上进行了组成和组织观察，并通过电子束辐照热负载，并研究了高温下的质量和组织稳定性。将样品涂在碳材料表面上的密集带有多层结构，然后用血浆喷雾涂有厚的钨。由于各种组成分析和硬度测量值，碳材料的碳在高温下扩散到涂层中，但是在碳材料表面上涂有低扩散系数的RE层首先用作碳扩散屏障。此外，在与Re相邻的第一层中形成了碳化钨。随着钨在这一部分的积累，当钨是碳化物时，扩散的活化能会增加，并成为碳扩散屏障。已显示这可以防止在血浆喷雾覆盖的厚钨部分中形成脆性碳化碳化碳化钨。加热电子束后，在样品中，表面温度加热至约2800°C，键合界面处的多层结构变化并形成合金，但结构是分层的。在表面熔化的样品中，界面上的多层结构消失，并在广泛区域形成新组织。为了在如此高的温度下使用，据信将用作碳扩散屏障的层涂覆将进一步改善高温性能。此外，对由氢同位素和氦颗粒载荷引起的材料损伤进行了实验。特别是，氦气已被证明具有牢固的纽带，其缺陷在钨中，该缺陷仍保留在材料中，直至高温，从而影响损伤和磨损。

项目成果

K.Tokunaga: "High heat load properties of tungsten coated carbon materials" Journal of Nuclear Materials. 258-263. 998-1004 (1998)

K.Tokunaga：“钨涂层碳材料的高热负荷特性”核材料杂志。