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Experimental and computational studies on tritium permeation mechanism in erbium oxide

酸化エルビニウムのトリチウム透過機構に関する実験的並びに計算的手法による研究

Mao, W.*; 近田 拓未*; 鈴木 晶大*; 寺井 隆幸*; 山口 憲司

Mao, W.*; Chikada, Takumi*; Suzuki, Akihiro*; Terai, Takayuki*; Yamaguchi, Kenji

核融合炉ブランケット部では、燃料となるトリチウムの維持や環境漏洩防止の観点から、トリチウム透過の障壁となる被膜が必要である。しかし、被膜を介してのトリチウムの詳細な透過機構は、その結晶構造が複雑であることから決して十分に解明されたとは言えない。近年、計算技術の進歩によりかなり詳細に材料中の水素の拡散を取り扱えるようになってきた。本研究では、透過障壁被膜の候補とされるEr$$_2$$O$$_3$$を対象に透過機構の解明を試みた。実験では構造がnmレベルで制御されたエピタキシャル薄膜の作製を試みる一方、計算では、単結晶や、欠陥を伴った結晶構造を仮定して、幾つかの温度で拡散係数を導出した。

A tritium permeation barrier (TPB) is strongly required in fusion blankets for the reduction of loss of fuel and radiological hazard. However, the precise tritium permeation mechanism through the TPB coatings has not been clarified yet, because of their complicated crystal structures. To understand the microscopic mechanism, we have not only prepared and characterized nanostructured ceramic Er$$_2$$O$$_3$$ thin films, but also studied the energetics and mobility of hydrogen atom in cubic bulk Er$$_2$$O$$_3$$ using ab initio density-functional calculations. The estimated diffusion activation energy ($$E$$$$_{a}$$) of interstitial H is somewhat higher than the diffusion energy barrier observed experimentally at 873 K. It is then considered that diffusion and permeation of hydrogen and its isotopes through the Er$$_2$$O$$_3$$ coatings are likely to be dominated by the grain boundary rather than by the grain.

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