Synthesis and characteristics of ternary Be-Ti-V beryllide pebbles as advanced neutron multipliers

金 宰煥; 中道 勝

Fusion Engineering and Design, 109-111(Part B), p.1764 - 1768, 2016/11

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.09.015

Beryllium intermetallic compounds (beryllides) are the most promising advanced neutron multipliers in demonstration fusion power reactors. Advanced neutron multipliers are being developed by Japan and the EU as part of their BA activities. Beryllides are too brittle to fabricate into pebble- or rod-like shapes using conventional methods such as arc melting and hot isostatic pressing. To overcome this issue, we developed a new combined plasma sintering and rotating electrode method for the fabrication of beryllide rods and pebbles. By using these methods, preliminary synthesis of the ternary beryllide pebbles with different chemical compositions, BeTiV (x=0.0-1.0) was successful. Scanning electron microscopic observation revealed that grain size on the surface decreased while area fraction of Be phase on cross-section decreased as V amount increased. These decreases may be contributed by the fact that the chemical composition of the pebble was closely varied to single-phase BeV with no peritectic reaction as V amount increased while Be, BeTi and BeTi phases were formed with large grain due to peritecic reaction in the BeTi. This feature influenced to variation of reactivity with 1% water vapor at high temperature. It was concluded that weight gain as well as H generation decreased due to decreases of grain size as well as Be phase on the surface as V amount increased in BeTiV.

平成26年度研究開発・評価報告書 評価課題「核融合研究開発」(事後評価)

核融合研究開発部門

JAEA-Evaluation 2016-001, 128 Pages, 2016/03

JAEA-Evaluation-2016-001.pdf:33.25MB

日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」という)は、「国の研究開発評価に関する大綱的指針」(平成20年10月31日内閣総理大臣決定)及びこの大綱的指針を受けて作成された「文部科学省における研究及び開発に関する評価の指針」(平成21年2月17日文部科学大臣決定)、並びに原子力機構の「研究開発課題評価実施規定」(平成17年10月1日制定、平成21年8月19日改正)等に基づき、「核融合エネルギーを取り出す技術システムの研究開発」に関する事後評価を核融合研究開発・評価委員会に諮問した。これを受けて、核融合研究開発・評価委員会は、原子力機構から提出された平成22年4月から平成26年11月までの核融合研究開発部門の運営ならびに核融合研究開発の実施状況に関する説明資料の検討、及び核融合研究開発部門長による口頭発表と副部門長も交えての質疑応答・意見交換を行った。本報告書は、核融合研究開発・評価委員会より提出された事後評価の内容、並びに、委員会による指摘事項とそれに対する措置を取りまとめたものである。

深冷蒸留を用いた水素同位体分離

山西 敏彦

プラズマ・核融合学会誌, 92(1), p.21 - 25, 2016/01

AA2015-0316.pdf:0.93MB

http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2016_01/jspf2016_01-21.pdf

核融合炉トリチウム燃料システムでは、燃料としての重水素及びトリチウムの精製と、不純物としての軽水素の除去、炉で生じたトリチウム水からのトリチウムの最終的回収のために、水素同位体分離系が必要である。この水素同位体分離系では、比較的大流量の処理量を確保すると共に、軽水素中のトリチウムを低濃度にまで(環境放出レベル)下げるために高い分離係数が必要である。よって、大流量,高分離係数、両者を満たすことが可能な深冷蒸留塔が採用されている。また、深冷蒸留法は、カナダ及び韓国の重水炉において、重水からのトリチウム回収の最終プロセスとしても採用されている。ここでは、深冷蒸留塔の分離原理、これまでの研究開発状況、今後の課題について記述する。

Reactivity of plasma-sintered beryllium in dry air and moisture at high temperature

金 宰煥; 中道 勝

Fusion Engineering and Design, 100, p.614 - 618, 2015/11

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.08.012

Beryllium metal is a candidate material of not only neutron-multiplier for fusion reactors but also a water-cooled target material for an accelerator-based boron neutron capture therapy. To investigate its reactivity in dry air and 1% HO/Ar at 873, 1073, and 1273 K, Be samples were fabricated by a novel plasma-sintering method proposed herein. Because of its reactivity in dry atmosphere, parabolic oxidation of Be along grain boundaries was predominant up to 1173 K at an activation energy of 52 kJ/mol, while catastrophic oxidation occurred at 1273 K. The introduction of HO facilitated breakaway in Be oxidation. Hence, the weight and H concentration of Be tested in 1% HO/Ar dramatically increased from 973 K, while samples tested for 24 h were completely oxidized in appearance.

Impacts of friction stir processing on irradiation effects in vacuum-plasma-spray coated tungsten

小沢 和巳; 谷川 博康; 森貞 好昭*; 藤井 英俊*

Fusion Engineering and Design, 98-99, p.2054 - 2057, 2015/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.06.104

低放射化フェライト鋼(F82H)は先進核融合炉の構造材料候補である。第一壁ならびにダイバータではプラズマスパッタ抑制のため、タングステン被膜が必須とされている。F82H鋼に、真空プラズマ溶射法でタングステン(W)を皮膜し、その後摩擦攪拌処理(FSP)にて強化した試料に対しイオン照射実験を実施し、WとF82Hの各要素のイオン照射後の硬さと微細組織に及ぼす細粒化の影響を調べた。これまでの結果からは、800C、5.4dpaでイオン照射したFSP-W皮膜の顕著な照射硬化は認められていない。

Effect of titanium content on mechanical properties and reactivity of titanium beryllide pebbles

金 宰煥; 中道 勝

Fusion Engineering and Design, 98-99, p.1812 - 1816, 2015/10

https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2015.06.170

Titanium beryllium intermetallic compounds, beryllides, have been investigated as a candidate of advanced neutron multipliers in a fusion demonstration reactor. To investigate effect of Be contents in titanium beryllide pebbles on the crush strength and oxidation resistance, the beryllide pebbles with 3 to 10.5 at.% Ti were fabricated. As a result of SEM observation, it was clear that Be phase on the surface identified in Be-3 and 5 at.% Ti while no Be phase found in Be-7 to 10.5 at.% Ti. According to cross-sectional images, moreover, area fraction of Be phase decreased with decrease of Be content in 3 to 9 at.% Ti beryllide pebbles whereas the pebble with 10.5 at.% Ti was mainly consisted of BeTi phase. It was confirmed from crushed tests of the pebbles that ductility increases as increased of Be contents in the pebbles since the existence of Be phase leads to ductile fracture. On the other hand, Be phase on the surface of the pebbles with Be-3 and 5 at.% Ti resulted in increase of the weight gain due to oxidation while other pebbles indicated similar values because the surface of pebbles with 7 to 10.5 at.% Ti consisted of either BeTi or BeTi. Accordingly, this existence of Be phase in the pebble leads to increase of ductility while it results in decrease of oxidation resistance on the surface at 1273 K.

Synthesis of Be-Ti-V ternary beryllium intermetallic compounds

金 宰煥; 中道 勝

Journal of Alloys and Compounds, 640, p.285 - 289, 2015/08

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.04.050

Beryllium intermetallic compounds (beryllides) such as BeTi and BeV are the most promising advanced neutron multipliers in demonstration power reactors. We developed a new combined plasma sintering and rotating electrode method for the fabrication of beryllide rods and pebbles. Previously, we prepared a beryllide pebble with a Be-7.7 at.% Ti composition as the stoichiometric value of the BeTi phase; however, BeTi and Be phases were present along with the BeTi phase that formed as the result of a peritectic reaction due to re-melting during granulation using the rotating electrode method. This Be phase was found to be highly reactive with oxygen and water vapor. Accordingly, to investigate the Be phase reduction and applicability for fabrication of electrodes prior to granulation using the rotating electrode method, Be-Ti-V ternary beryllides were synthesized using the plasma sintering method. Surface observation results indicated that increasing plasma sintering time and V addition led to an increase in the intermetallic compound phases compared with plasma-sintered beryllide with a Be-7.7 at.% Ti composition. Additionally, evaluation of the reactivity of samples with water vapor at high temperature revealed that specimens with larger fractions of Be phases experienced larger weight gains and H generation rates because of oxidation, as BeTi and BeV phases have a similar oxidation tendency.

Comparative study of sinterability and thermal stability in plasma-sintered niobium and vanadium beryllides

金 宰煥; 中道 勝

Journal of Alloys and Compounds, 638, p.277 - 281, 2015/07

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.03.105

Niobium and vanadium-beryllium intermetallic compounds (beryllides) were synthesized by plasma sintering under different sintering times at 1273 K. The beryllide with 7.7 at.% Nb mainly consisted of various phases of Be, BeNb, BeNb, and BeNb, whereas that with 7.7 at.% V consisted of BeV, BeV, and V. As the sintering time increased, area fractions of the target compositions BeNb and BeV increased while that of Be decreased. A comparative analysis demonstrated that the beryllide with 7.7 at.% Nb a showed higher density as well as a greater hardness than that with 7.7 at.% V, due to there being less difference between the sintering temperature and the melting point. In terms of thermal phase stability, the beryllide with 7.7 at.% Nb showed good thermal phase stability with fewer pores and a smaller unhomogenized area, because the beryllide contained a smaller area fraction of the Be phase, which may cause evaporation resulting in pore formation.

Effect of tritium on corrosion behavior of chromium in 0.01N sulfuric acid solution

小柳津 誠; 磯部 兼嗣; 林 巧

Fusion Science and Technology, 67(3), p.519 - 522, 2015/04

https://doi.org/10.13182/FST14-T69

SUS304ステンレス鋼のトリチウムによる自己不動態化阻害効果がSUS304ステンレス鋼の不動態被膜の主成分の一つであるクロムの溶出によることが考えられたため、クロムの腐食挙動に及ぼすトリチウムの影響に関し、電気化学手法のひとつであるアノード分極曲線を測定することにより調べた。トリチウム濃度、溶存酸素濃度をパラメータとし、トリチウム水を加えていない条件下では溶存酸素によるクロムの自己不動態化が観察できる、0.01N硫酸水溶液中にて実験を行った結果、SUS304ステンレス鋼と同様、クロムにおいても自己不動態化が抑制されていた。この結果より、トリチウム水中におけるSUS304ステンレス鋼の自己不動態化抑制効果は、不動態被膜の主成分の一つであるクロムが溶出に起因することが示唆された。

幅広いアプローチ活動だより,53

石井 康友; 松永 剛; 奥村 義和

プラズマ・核融合学会誌, 91(2), p.161 - 162, 2015/02

http://www.jspf.or.jp/Journal/PDF_JSPF/jspf2015_02/jspf2015_02-161.pdf

幅広いアプローチ活動だより(53)では、IFMIF原型加速器入射器における初ビームの成功、IFMIF/EVEDA事業液体リチウムターゲット実証試験の完遂、サテライト・トカマク(JT-60SA)計画の進展に関して報告している。BA協定の下、六ヶ所サイトの国際核融合エネルギー研究センターで進められているIFMIF(国際核融合材料照射施設)の工学設計・工学実証活動(IFMIF/EVEDA事業)では、IFMIF原型加速器の入射器の据付調整が完了し、2014年11月よりビーム調整試験が開始された。さらに、中性子源となるリチウムターゲットの成立性に関わる工学実証試験については、大洗研究開発センターに実機規模のリチウム試験ループを製作して、約2年間にわたりその実証試験を実施してきた。2014年10月末でこの試験が目標を上回る成果を達成し、成功裏に完了した。また、那珂研究所で進められているJT-60SAの建設では、三次元CADソフトCATIAを用いて各部品の設計が行われている。これまでの建設状況とあわせて、最新状況をJT-60SAのホームページで順次公開している。これら、BA活動における主要な出来事を国内コミュニティーに対して情報発信する。