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核融合炉の保護膜が剥がれにくい仕組みを解明

東京工業大学

画像: (a) 走査透過型電子顕微鏡画像。 (b) アルミニウムと酸素のエネルギー分散型 X 線 (EDX) 元素マッピング画像。 (c) EDX分析によるチタン、イットリウム、ジルコニウムの元素マッピング画像もっと見る

Credit: Associate Professor Masatoshi Kondo

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。 その中で、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。

近藤准教授率いる共同研究チームは、横浜国立大学、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α-Al2O3（アルファアルミナ）層を形成していることに着目した。緻密な構造を解明し、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 1000℃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。 α-Al2O3 層が剥離しにくくなるメカニズムを図 2 にまとめます。まず、基板から層に向かって形成された反応性元素の酸化物が、テントを固定するためのペグのように層の微細構造をしっかりと掴みます。接着強度の向上に貢献します。 これをペギング効果と呼びます。