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Feb 10, 2024

核融合炉の保護層が剥がれにくい仕組みを解明

2023 年 8 月 25 日 この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされました。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

2023 年 8 月 25 日

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東京工業大学

環境負荷が低く、資源制約のない発電所として、核融合炉、高速増殖炉、太陽熱発電所の開発が進められています。 これらの発電所は高温で熱伝達が大きく動作するため、熱伝達性能に優れた液体金属を冷却材として使用するコンポーネントの使用が研究されています。

液体金属ブランケット（炉心に設置された金属の壁）と液体金属ダイバータ（熱を受け取り、排気を排出する）は核融合炉の最も重要な構成要素の一つであり、革新的なエネルギー変換装置として注目されています。 しかし、高温液体金属と化学的に適合する構造材料の選択は課題でした。

東京工業大学の近藤正敏准教授は、液体金属冷却材を使用し、主要な構造材料を使用してその耐化学腐食性について研究を行ってきました。 彼は、腐食の原因が液体金属と接触する材料からの金属成分の浸出、および液体金属と鋼材料の合金化であることを発見しました。

彼は、液体金属部品の構造材料の表面に緻密な保護酸化物層を形成することで腐食を大幅に軽減できることを発見しました。 このような腐食を抑制する安定した保護酸化物層の形成は、液体金属ベースの部品を実現するための鍵となります。 この研究は、雑誌「Surface and Coatings Technology」に掲載されています。

近藤氏率いる共同研究チームは、横浜国立大学および核融合科学研究所と共同で、酸化物分散強化型（ODS）FeCrAl合金が緻密な構造からなるα-Al2O3（アルファアルミナ）層を形成するという事実に着目した。 、層の成長を促進する要因と、層が基板から剥がれにくくなるメカニズムを特定しました。

α-Al2O3 層は、高温液体金属環境において優れた保護を提供します。 ODS Fe15Cr7Al 合金は優れた高温強度を有しており、次世代発電所の構造材料として有力な候補です。

この合金を空気中1,000℃で10時間酸化させると、α-Al2O3層が形成されます。 図1にODS Fe15Cr7Al合金上に形成されたα-Al2O3層の断面顕微鏡像とその構成元素の分布を示します。 厚さはわずか1.28マイクロメートルと髪の毛の約80分の1ですが、図1(b)に示すようにアルミニウムと酸素が均一に分布した非常に緻密な構造をしています。

同時に、図1(c)に示すように、Ti、Y、Zrなどの反応性元素の酸化物がα-Al2O3層内に形成されていることも発見した。 これは、ODS Fe15Cr7Al 合金がその微細構造内に小さな酸化物粒子として分散して保持している反応性元素が層内に移動して酸化物を形成しているためです。

数種類のFeCrAl合金によって形成される酸化物層の微細構造と成長速度を比較すると、反応性元素を含まない合金は層内にこれらの酸化物を形成せず、層の成長が遅いことがわかります。 これらの反応性元素の細長い酸化物は、層の成長を促進し、バリア特性を向上させる「酸素のみの拡散経路」として機能します (図 2)。

保護層は剥離しにくいものでなければなりません。 今回の研究では、ODS-FeCrAl合金上に形成されたα-Al2O3層に引掻き試験を実施し、鋭利な針で層を引っ掻いて剥離するのに必要な力の大きさを測定した。 結果は、ODS-FeCrAl 合金が優れた接着特性を持っていることを示しています。