先進トリチウム増殖材用リチウム過剰メタチタン酸リチウムに関する研究

本研究では、核融合炉ブランケットの先進トリチウム増殖材として期待されるLi過剰メタチタン酸リチウムを研究対象とし、本材料の結晶構造の解明及び基礎熱力学諸量の評価を研究目的に設定した。本年度の研究は、研究実施計画で予定していた通り、計算化学アプローチによる結晶構造解析や高温質量分析系を用いた蒸気圧測定による熱量評価を実施した。【結晶構造】X線/中性子回折による実験結果に密度汎関数法を用いたシミュレーション結果を補完することで、Li過剰メタチタン酸リチウムの構造解析を実施した。これにより、様々な温度で生じるLi過剰組成試料のホスト構造、並びに生ずる格子間原子や欠陥の生成を明らかにした。【熱力学量】高温質量分析計により、化学量論組成とLi過剰組成試料の蒸気圧を測定し、蒸発に伴うエンタルピー変化を評価した。この結果、Li過剰メタチタン酸リチウムは高温において、化学量論組成とLiリッチセラミックス(Li_2O及びLi_4TiO_4)との中間的な化学的安定を有することを示した。また、密度汎関数法を用いた欠陥生成エネルギーの計算により、構造的に不安定な格子間に存在するLi原子が高温での化学挙動に影響を与えていることを示した。本研究により、結晶構造及び基礎的物量を明らかにするとともに、ブランケット使用温度におけるLi過剰メタチタン酸リチウムの化学的挙動の相関を明らかにした。結晶構造や熱力学量はトリチウム放出挙動やLi損失過程の理解に不可欠であり、今後、核融合炉条件下での材料の特性や挙動をシミュレーションで評価する上で重要な知見であると言える。

本研究では、核融合炉ブランケットの先進トリチウム増殖材として期待されるLi過剰メタチタン酸リチウムを研究対象とし、本材料の結晶構造の解明及び基礎熱力学諸量の評価を研究目的に設定した。本年度の研究は、研究実施計画で予定していた通り、計算化学アプローチによる結晶構造解析や高温質量分析系を用いた蒸気圧測定による熱量評価を実施した。【結晶構造】X線/中性子回折による実験結果に密度汎関数法を用いたシミュレーション結果を補完することで、Li過剰メタチタン酸リチウムの構造解析を実施した。これにより、様々な温度で生じるLi過剰組成試料のホスト構造、並びに生ずる格子間原子や欠陥の生成を明らかにした。【熱力学量】高温質量分析計により、化学量論組成とLi過剰組成試料の蒸気圧を測定し、蒸発に伴うエンタルピー変化を評価した。この結果、Li過剰メタチタン酸リチウムは高温において、化学量論組成とLiリッチセラミックス(Li_2O及びLi_4TiO_4)との中間的な化学的安定を有することを示した。また、密度汎関数法を用いた欠陥生成エネルギーの計算により、構造的に不安定な格子間に存在するLi原子が高温での化学挙動に影響を与えていることを示した。本研究により、結晶構造及び基礎的物量を明らかにするとともに、ブランケット使用温度におけるLi過剰メタチタン酸リチウムの化学的挙動の相関を明らかにした。結晶構造や熱力学量はトリチウム放出挙動やLi損失過程の理解に不可欠であり、今後、核融合炉条件下での材料の特性や挙動をシミュレーションで評価する上で重要な知見であると言える。