J-PARC 3GeVシンクロトロン用荷電変換フォイルの長寿命化に向けたとりくみ

吉本 政弘; 仲野谷 孝充; 山崎 良雄; Saha, P. K.; 金正 倫計; 山本 春也*; 岡崎 宏之*; 田口 富嗣*; 山田 尚人*; 山縣 諒平*

Proceedings of 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (インターネット), p.850 - 854, 2021/10

J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS: Rapid Cycling Synchrotron)では、大強度陽子ビームを実現するために荷電変換フォイルを用いた荷電変換ビーム多重入射方式を採用している。この入射方式では、リニアックから入射される負水素ビームが荷電変換フォイルを通過する際に陽子に変換され、周回ビームに重ねることができる。そのため、ビームサイズを広げずに大強度ビームを蓄積することができる。一方で、ビーム入射期間中は、リニアックからの負水素ビームとRCSで周回する陽子ビームの双方がフォイルを通過するため、荷電変換フォイルのビーム照射に対する耐久性能の向上は大きな課題となっている。RCSでは、ホウ素を添加した炭素電極によるアーク放電法で製膜した薄膜(Hybrid type thick Boron-doped Carbon: HBC)を荷電変換フォイルとして用いている。HBCフォイルは、ホウ素を添加することで従来の純炭素薄膜と比較してビーム照射に対する寿命の向上に成功し、RCSにおいてもビーム強度700kWでの長期間利用運転及び1MWでの2日間連続運転試験で壊れることなく使用できることを示した。我々は、ホウ素添加によりビーム照射耐久性能が向上するメカニズムを明らかにし、さらなる長寿命化に向けたフォイルの実現を目的とし、量子科学技術研究開発機構(QST)高崎・イオン照射施設(TIARA: Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application)のイオンビームを用いた照射試験を行ってきた。これまで、ホウ素の添加量やカソード・アノード電極に使用するホウ素添加炭素電極と純炭素電極の組み合わせにより、イオンビーム照射による寿命が異なることが分かってきた。本報告では、ビーム照射試験の結果からHBCフォイル内のホウ素の役割に関する考察について報告する。

Preparation of fullerenes by resistive heating vaporization method; Effect of carbon materials

大槻 龍生*; 那須 昭一*; 藤森 亮介*; 穴田 欣司*; 大橋 憲太郎*; 山本 涼市*; 藤井 貴美夫; 大久保 啓介*

粉体および粉末冶金, 51(8), p.622 - 625, 2004/08

https://doi.org/10.2497/jjspm.51.622

煤煙中に生じた(C+C)フラーレンの収量と生成したCの割合(重量比)に対する素材である炭素材料の効果を調べた。素材にはGlassy carbon等4種類の炭素材料を用い、圧力0.7108.010Paのヘリウムガス中でジュール加熱して蒸発させフラーレンを調製した。Glassy Carbonを素材に用いた場合に比べて、18%の六方晶黒鉛における(C+C)フラーレンの収量は高かった。また、ヘリウムガス圧が4.05.310Paの範囲で、収量は極大を示した。フラーレン中のCの割合はいずれの炭素材料の場合でも約6070%で、ヘリウムガス圧や容器の大きさにも依存しなかった。

Application of radiation-crosslinked Polytetrafluoroethylene to fiber-reinforced composite materials

大島 明博; 宇田川 昂; 森田 洋右

Radiation Physics and Chemistry, 60(4-5), p.467 - 471, 2001/03

https://doi.org/10.1016/S0969-806X(00)00416-3

連続した炭素繊維の織布を強化繊維として複合化したポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を高温(335)酸素不在下(アルゴンガス中)で電子線照射を行い、架橋させた。得られた繊維強化架橋PTFE複合材料の積層体は、従来の短繊維充填PTFE材(充填材5~20wt%)に比べ、曲げ強度などの機械特性は大幅に改善され、しかも摩擦摩耗特性については、PTFE樹脂単体の場合に比べ数千倍、架橋PTFE樹脂及び未架橋の短繊維充填材に比べ5倍改善された材料特性を示した。

Application of radiation crosslinked polytetrafluoroethylene to fiber-reinforced composite materials

大島 明博; 宇田川 昂; 森田 洋右

Proceedings of International Symposium on Prospect for Application of Radiation towards the 21st Century, p.83 - 84, 2000/00

放射線架橋ポリテトラフルオロエチレン(RX-PTFE)を繊維強化複合材料の母材とする材料を試作し、その特性を評価した。基材繊維には、東レのT-300炭素繊維の平織りの織物を用いた。得られた炭素繊維強化RX-PTFEの三点曲げ強度ならびに弾性率は、それぞれ138MPa,28.4GPaであった。

Effect of argon ion irradiation on the mechanical properties of carbon materials

奥 達雄*; 車田 亮*; 中田 昌幸*; 武田 和孝*; 川又 清弘*; 荒井 長利; 石原 正博

Proceedings of 24th Biennial Conference on Carbon (CARBON '99), p.574 - 575, 1999/07

炭素繊維複合材料について、機械的特性の照射効果を調べるために、TIARAを用いて175MeVのエネルギーでアルゴンイオン照射を行い、照射後ダイナミック硬さを調べた。照射後試験の結果ヤング率及び強度との相関が良いとされるB及びDパラメータに照射による増加が認められ、照射による硬化が確認された。また、これらのパラメータは、損傷が最大となる領域(表面から約50m; 損傷は0.15dpa)からの影響を受けるため、押し込み荷重を変化させることにより増加量に変化が認められた。さらに、定性的評価ではあるが、ダイナミック硬さを計測する方法は炭素繊維材料の照射損傷の程度を調べるために有効であることがわかった。なお、本研究は「炭素繊維複合材料の照射損傷の評価」に関する茨城大学との共同研究として実施したものである。

Development of BC-carbon fiber composite ceramics as plasma facing materials in nuclear fusion reactor, 3; Heat resistance evaluation by electron beam irradiation and by in situ plasma discharge in JT-60

神保 龍太郎*; 西堂 雅博; 中村 和幸; 秋場 真人; 鈴木 哲; 大楽 正幸; 中川 師央*; 鈴木 康隆*; 千葉 秋雄*; 後藤 純隆*

Journal of the Ceramic Society of Japan, International Edition, 105, p.1179 - 1187, 1997/00

C/C材の次世代のプラズマ対向材料として、BCと炭素繊維から成る複合セラミックスを作り、電子ビームとJT-60のプラズマによる熱負荷試験を行って、耐熱性を評価した。高熱伝導性の縦糸と高強度で折れ難い横糸の炭素繊維から成る平織り布にBCを含浸後に、渦巻状にして加圧焼結した複合セラミックスで作ったタイルは、22MW/mの電子ビーム照射(5秒,2500C)によっても破損しなかった。さらに、JT-60のダイバータに設置し、中性粒子入射加熱(30MW,2秒)を含む15秒のプラズマ放電を繰り返し(572回)行っても、クラックの発生は見られなかった。

Development of 3D-based CFC with high thermal conductivity for fusion application

荒木 政則; 中村 和幸; 鈴木 哲; 秋場 真人; 久手 幸徳*; 早田 喜穂*; 佐藤 浩一*

Fusion Technology 1996, 0, p.359 - 362, 1996/00

次期核融合実験炉、例えばITER等では、高熱伝導率を有するプラズマ対向機器材料が必要である。特に、ダイバータ耐熱保護タイルは熱特性のみならず、機械的特性に優れた構造が要求されている。このような要求を満たすために、3次元構造をもつ炭素繊維強化複合材が開発されてきた。しかしながら、これら複合材は一般的に多孔質でり、真空環境への適用性が問題視されている。そこで、従来他の分野で利用されているHIP法を適用することにより、高熱伝導・高強度特性を合せもつ3次元炭素繊維強化複合材の開発に成功した。さらに、構造を工夫することにより、従来問題となっていた熱膨張率が金属に近い、より核融合分野に適した3次元炭素繊維強化複合材も開発し、目下、接合試験や加熱試験により検証中である。

粒子-物質相互作用研究会1993報告書; 1994年3月8日9日、東海村

原子分子データ研究委員会

JAERI-Conf 94-004, 187 Pages, 1994/11

JAERI-Conf-94-004.pdf:7.1MB

原子分子データ研究委員会の平成5年度の粒子-物質相互作用研究会が、1994年3月8、9日の2日間原研東海研究所で開催された。この研究会は、核融合のための原子・分子データの収集と評価の立場から、種々のエネルギー粒子と物質との相互作用に関する研究の現状を把握し、問題点を明確にすることにより、今後のワーキンググループの活動に資することを目的として開催されたものである。研究会では17の講演が行われ、本報告書は、講演後に提出して頂いた16編のレポートをまとめたものである。主な内容は、ITERプラズマ対向材料、炭素材の照射損傷、金属中の水素の捕捉と再放出、重イオンと固体表面との相互作用に関するものである。

Material and design considerations for the carbon armored ITER divertor

I.Smid*; 秋場 真人; 荒木 政則; 鈴木 哲; 佐藤 和義

JAERI-M 93-149, 200 Pages, 1993/07

JAERI-M-93-149.pdf:5.57MB

本報告は、ITERダイバータ板の有限要素解析を行う上で必要な物性データについて、最適なデータセットを種々の候補材料について評価するとともに、ダイバータ板の接合形状について有限要素解析を実施した結果をまとめたものである。特に、ヒートシンク材料のW-Cuは今回初めてITERダイバータ板への適用を提案した。有限要素解析は汎用コードABAQUSを用い、ろう付け時の残留応力およびプラズマ対向面に15MW/mの一様定常熱負荷が加わった時の熱応答と熱応力について解析を行った。また、解析に用いたダイバータ板の形状には異なる10種類の形状を採用するとともに、可能な材料の組み合せについても検討を行った。その結果、平板型のMFC-1とW-30Cu、MFC-1とDSCuの組み合せがITERダイバータ板の設計条件を満たす可能性があることを明らかにした。なお、本報告は平成3年10月より平成5年3月までNBI加熱研究室に在籍した原研リサーチフェローのIvica Smid氏の研究成果をまとめたものである。

Dynamic behaviors of fragments ejected from the surface of carbon materials by laser ablation

依田 修; 宮下 敦巳; 大柳 孝純*; 村上 浩一*

JAERI-M 92-173, 27 Pages, 1992/10

JAERI-M-92-173.pdf:1.22MB

レーザープラズマをX線源として用いた実験室規模時間分解X線吸収分光装置を作製した。この装置の使用主目的は、100eV~3keVのエネルギー範囲で、プロセス中の種々の物質のX線吸収微細構造を観測することである。金をターゲットに用いた時、300eV以下のエネルギー範囲で最も強いX線が発生し、パルス当り10光子の強度が得られた。分光器のエネルギー分解能は510であった。炭素棒とC粉末を圧縮したペレットのレーザーアブレーションによって表面から飛び出したフラグメントの動的挙動を観測した。フラグメントの主成分はクラスター、中性原子及びイオンで速度は1.410m/s(クラスター)及び210m/s(原子、イオン)と評価された。弱いアブレーションではC分子がペレットから分解せずに飛び出す。XPSの結果から、ペレット表面の組織変化が示唆され、SEMの結果から、表面散乱模型で説明できる周期構造が見い出された。