核融合炉プラズマ対向壁用タングステン材料開発におけるジレンマへの挑戦

开发用于聚变反应堆等离子体面壁的钨材料面临的挑战

• 批准号: 14J03841
• 负责人: 福田 誠
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J03841/
• 关键词: タングステン; 核融合炉; プラズマ対向材料; KドープW-3%Re; 熱特性; 有限要素解析; 再結晶

核融合炉実機で想定される脆化現象への優れた耐性を有する、信頼性の高いプラズマ対向材料用タングステン(W)の開発を目的とし、脆化耐性を向上するための材料強化手法を適用したW材料の熱特性を評価すると共に、有限要素解析による信頼性評価を実施した。Wの照射脆化及び再結晶脆化を抑制するための手法として、3%のRe添加及び、Kバブルの分散に着目し、KドープW-3%Reを新たに作製した。また、KドープW-3%Reと同様の製造工程で作製した純W、KドープW、W-Re合金を参照材として作製し特性を評価した。Kバブル分散による熱特性の変化は認められなかったが、3%のRe添加に伴う伝導電子の散乱効果による熱伝導率の低下が800℃以下の温度で認められた。有限要素解析により、本研究で作製した各種W製モノブロックダイバータが核融合炉実機相当の熱負荷を受けた際の温度及び熱応力を調査したところ、20 MW/m2の熱負荷を10秒間受けた際のKドープW-3%Reの最高温度は純Wよりも200℃高くなり約2400℃となった。熱負荷により再結晶した領域の深さは、純Wでは約8mmであったのに対し、KドープW-3%Reの場合は約3mmであり、Kバブル分散と3%のRe添加によって、モノブロック内における再結晶領域の形成が大幅に抑制されるという結果が得られた。これは、純Wの再結晶温度がKバブル分散と3%のRe添加によって上昇しているためであり、結晶粒組織及び硬さの温度依存性を評価した結果から求められたKドープW-3%Reの再結晶温度は、純Wよりも約700℃高い、約1800℃であった。核融合炉プラズマ対向材料としてのW材料開発における問題点であった脆化耐性改善と熱特性低下のトレードオフ関係について、KドープW-3%ReはRe添加による熱特性の低下が認められるものの、それ以上にRe添加及びKバブル分散による再結晶脆化抑制の効果が大きいことが明らかになった。

为了为血浆相反的材料开发高度可靠的钨（W），这些材料具有极好的抵抗力，其在实际的核融合反应器中预期的封闭现象，还评估了使用有限元元素分析来评估材料增强方法的W材料的热性能，以提高材料增强方法，并评估了可靠性评估。作为抑制W的含量和重结晶的含量的一种方法，新生产的K掺杂W-3％的RE是添加3％RE和K Bubbles的分散体。此外，使用纯W，k掺杂W，W-RE合金在与K掺杂W-3％的同一制造过程中产生的合金评估了这些性能。尽管未观察到由于k气泡分散剂而导致的热性能变化，但在800°C以下的温度下观察到电导率下降，导致电导率的散射效应降低。使用有限元分析，我们研究了当本研究中产生的各种W单块分流器的温度和热应力进行的热载量与实际的核融合反应器机器等效，并且当20 mW/m2的热负载受到10秒的热量时，k-poped w-3％re Re的最高温度比pure pure pure pure wep pure Weper of 200°C高达pure Weppure Weppy Weper to pure Weper of pure Weper of pure weppure Weppure Weppure Weppure Wepper weepry Wepper wee 2400°c ress cance 2400 00。对于纯W，由于热负荷而引起的重结晶区域的深度约为8 mm，而K掺杂的W-3％RE约为3毫米，k气泡分散剂和3％的RE添加显着抑制了单块内的重生区域的形成。这是因为纯W的重结晶温度由于K气泡分散剂和3％的添加而升高，而K掺杂的W-3％RE的重结晶温度取决于评估晶粒结构和硬度的温度依赖性的结果，约为700°C，比纯W高约1800°C。关于改善抗封闭能力和降低热特性之间的权衡关系，这是W材料作为核融合反应器的血浆式材料的开发中的一个问题，尽管K-掺杂的W-3％RE显示了由于添加了RE而导致的热能降低，这表明可以通过抑制恢复恢复的恢复型re，而与Re抑制更大的益处。

项目成果

Thermo-mechanical analysis of tungsten and its alloys monoblock divertor under heat load conditions relevant to a fusion reactor,

与聚变反应堆相关的热负荷条件下钨及其合金整体偏滤器的热机械分析，

• 发表时间: 2014
• 作者: Makoto Fukuda;Shuhei Nogami;Kiyohiro Yabuuchi;Akira Hasegawa;Koichiro Ezato;Satoshi Suzuki;Hitoshi Tamura;and Takeo Muroga
• 通讯作者: and Takeo Muroga

結晶粒組織を微細化したタングステン合金圧延材の引張特性の異方性

细晶组织钨合金轧制材料拉伸性能各向异性

• 发表时间: 2014
• 作者: 福田誠;野上修平;藪内聖晧;長谷川晃;室賀健夫
• 通讯作者: 室賀健夫

Effect of fusion reactor relevant heat load on pure tungsten and its alloys for plasma facing components

聚变反应堆相关热负荷对面向等离子体组件的纯钨及其合金的影响

• 发表时间: 2014
• 作者: Makoto Fukuda;Shuhei Nogami;Kiyohiro Yabuuchi;Akira Hasegawa;Koichiro Ezato;Satoshi Suzuki;Hitoshi Tamura;and Takeo Muroga
• 通讯作者: and Takeo Muroga

Thermo-Mechanical Analysis of Tungsten and its Alloys Monoblock Divertor under Heat Load Conditions Relevant to a Fusion Reactor

聚变反应堆相关热负荷条件下钨及其合金整体偏滤器的热机械分析

• 发表时间: 2015
• 期刊: J. Plas. Fus. Res. Series
• 作者: M. Fukuda;S. Nogami;A. Hasegawa;K. Yabuuchi;K. Ezato;S. Suzuki;H. Tamura;T. Muroga
• 通讯作者: T. Muroga

Effects of alloying and dispersion strengthening on thermal stress distribution of tungsten monoblock divertor

合金化和弥散强化对钨整体偏滤器热应力分布的影响

• 发表时间: 2014
• 作者: Makoto Fukuda;Shuhei Nogami;Wenhai Guan;Akira Hasegawa;Kiyohiro Yabuuchi;Koichiro Ezato;Satoshi Suzuki;Hitoshi Tamura;Takeo Muroga
• 通讯作者: Takeo Muroga