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。今年，为了完成热负荷样品的材料科学评估，我们观察了因电子束辐照而承受热负荷的横截面接合界面处的钨包覆碳材料的成分和结构。我们研究了高温下的传质和结构稳定性。该样品在碳材料表面涂覆了多层结构的致密W/Re，然后通过等离子喷涂涂覆了一层厚厚的钨。通过各种成分分析和硬度测量，发现在高温下，碳材料中的碳扩散到涂层中，但扩散系数较低且涂覆在碳表面的Re层材料，首先充当碳的扩散屏障。此外，在与Re相邻的第一层钨中形成碳化钨。当钨在该部分聚集并转化为碳化物时，扩散的活化能增加，并且它成为碳的扩散势垒。研究表明，这些方法可以抑制等离子喷涂厚钨零件中脆性碳化钨的形成。电子束加热后，表面温度加热至约2800℃的样品中，接合界面的多层结构发生变化，形成合金，但结构为层状。在表面熔化的样品中，界面处的多层结构消失，并在大范围内形成新的结构。为了在如此高的温度下使用，人们认为如果进一步涂覆一层充当碳扩散屏障的层，高温性能会更好。我们还进行了氢同位素和氦粒子加载引起的材料损坏的实验。特别是在氦气的情况下，研究表明它与钨中的缺陷具有很强的结合力，即使在高温下也会残留在材料中，从而造成损坏和磨损。

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。