核融合炉第一壁で用いられる炭化ケイ素中での水素同位体挙動の解明とその体系化

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本研究では将来の核融合炉第一壁構造材料の候補のひとつである炭化ケイ素(SiC)に注目し、その中での水素同位体のダイナミックスをミクロ的な観点から検討し、詳細なメカニズムを明らかにすることを目的とした。特に、第一壁構造材料には核反応により生成した高エネルギーのヘリウムが直接材料に照射されるため、水素同位体のみの照射環境とは異なり、複合イオン照射環境が水素同位体滞留挙動に及ぼす影響について検討することが核融合炉安全の観点から重要な問題である。そこで、今年度は加熱温度を制御することにより、水素同位体の滞留挙動と欠陥の回復に及ぼす熱アニーリング効果について検討した。これまでに室温では重水素イオンのみを飽和量まで照射すると、重水素は炭化ケイ素中のケイ素および炭素に捕捉されるが、重水素イオンを飽和量まで照射した後にヘリウムイオンを同量照射するとケイ素に捕捉された重水素のみが照射初期においてヘリウムイオンと相互作用して脱離し、炭化ケイ素中での重水素の滞留量は減少することが明らかとなった。また、照射後に加熱すると重水素が脱離し、欠陥構造が回復するとともに一部の炭素が表面に偏析することが明らかとなった。一方、照射時の温度を800K以上にすることにより、重水素およびヘリウムイオン照射により生成した欠陥構造が速やかに回復するとともに、Si-C-D結合形成により重水素が滞留することが明らかとなった。さらにヘリウムイオンのエネルギーを変化させてSiCに照射することにより滞留しているヘリウムと重水素の相互作用についても検討した結果、低エネルギーのヘリウムを照射した方がTDSスペクトルの脱離ピークが低温側にわずかにシフトすることから表面近傍にヘリウムバブル等として滞留したヘリウムが、重水素の脱離障壁になっている可能性が示唆された。以上の結果より、ヘリウムバブルおよび炭素偏析が水素同位体の滞留に大きく影響していることが明らかとなった。