研究者らは核融合エネルギーを支える可能性のある金属合金について報告している

2023 年 1 月 24 日

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サラ・ウォン著、太平洋岸北西部国立研究所

2022年末、ローレンス・リバモア国立研究所の研究者らは、核融合による純エネルギーの増加を初めて観察したと発表した。 核融合エネルギーに向けたこの記念碑的なマイルストーンは、家庭や企業にカーボンニュートラルなエネルギー源を供給するという大きな前進を意味します。 しかし、この科学的成果を実用的な電源に変換するには、核融合発電社会を実現するための新しい技術も必要です。

パシフィック ノースウェスト国立研究所 (PNNL) とバージニア工科大学および州立大学 (バージニア工科大学) の科学者は、材料研究の取り組みを通じてこの目標の実現に貢献しています。 Scientific Reports に掲載された彼らの最近の研究では、タングステン重合金の事例が示され、貝殻の構造を模倣することで、先進的な核融合炉で使用できるようにタングステン重合金を改良する方法が示されています。

研究論文の筆頭著者であるジェイコブ・ハーグ氏は、「これは、このような小さな長さスケールでこれらの材料界面を観察した最初の研究である」と述べた。 「そうすることで、材料の靭性と耐久性を支配する基本的なメカニズムのいくつかを明らかにしました。」

中心温度が華氏約 2,700 万度である太陽は、核融合によって動力を供給されています。 したがって、核融合反応が多量の熱を生成することは驚くべきことではありません。 科学者が核融合エネルギーを動力源として利用する前に、核融合反応に伴う高温や照射条件に耐えられる先進的な核融合炉を作成する必要があります。

地球上のすべての元素の中で、タングステンは最も高い融点を持っています。 このため、核融合炉で使用するのに特に魅力的な材料となっています。 ただし、非常に脆い場合もあります。 タングステンをニッケルや鉄などの他の金属と少量混合すると、高い融解温度を維持しながらタングステン単独よりも頑丈な合金が作成されます。

これらのタングステン重合金にその特性を与えるのはその組成だけではありません。材料の熱機械処理により、引張強度や破壊靱性などの特性が変化する可能性があります。 特定の熱間圧延技術により、貝殻の真珠層 (真珠母とも呼ばれる) の構造を模倣した微細構造がタングステン重合金に生成されます。 真珠層は、美しい虹色の色に加えて、並外れた強度を示すことで知られています。 PNNL とバージニア工科大学の研究チームは、核融合応用の可能性について、これらの真珠層を模倣したタングステン重合金を調査しました。

「私たちは、これらの材料が金属および合金の分野でほぼ前例のない機械的特性を示す理由を理解したかったのです」とハーグ氏は述べています。

合金の微細構造を詳しく調べるために、ハーグ氏と彼のチームは、原子構造を観察する走査透過型電子顕微鏡などの高度な材料特性評価技術を使用しました。 彼らはまた、エネルギー分散型X線分光法と原子プローブ断層撮影法を組み合わせて、材料界面のナノスケール組成をマッピングした。

真珠層のような構造内で、タングステン重合金は 2 つの異なる相で構成されます。ほぼ純粋なタングステンの「硬質」相と、ニッケル、鉄、タングステンの混合物を含む「延性」相です。 研究結果は、タングステン重合金の高強度は、密接に結合した「硬質」相と「延性」相を含む異種相間の優れた結合によってもたらされることを示唆しています。

PNNL の計算科学者で論文の共著者である Wahyu Setyawan 氏は、「2 つの異なる相により強靭な複合材料が作成されますが、特性評価用に高品質の試料を準備する際に大きな課題が生じます」と述べています。 「私たちのチームメンバーは、その際に素晴らしい仕事をしてくれました。これにより、界面境界の詳細な構造と、これらの境界を横切る化学のグラデーションを明らかにすることができました。」

この研究は、結晶構造、形状、化学がタングステン重合金の強力な材料界面にどのように寄与するかを示しています。 また、核融合用途の材料設計と特性を改善するメカニズムも明らかにします。

「これらの二相合金を原子炉の内部で使用する場合、安全性と寿命を考慮して最適化する必要がある」とハーグ氏は述べた。

この研究で示された発見は、すでに PNNL 内および科学研究コミュニティ内でさまざまな側面でさらに拡張されています。 PNNL では、構造、化学を最適化し、異種材料界面の強度をテストするためのマルチスケール材料モデリング研究が進行中です。また、核融合炉の極端な温度と照射条件下でこれらの材料がどのように動作するかを観察するための実験研究も行われています。

「今は核融合エネルギーにとって刺激的な時期であり、ホワイトハウスや民間部門からも新たな関心が寄せられている。長期運転のための物質的解決策を見つけるために私たちが行っている研究は、核融合炉の実現を加速するために非常に必要である。」 セティヤワンは言った。

その他の PNNL 執筆者は、Jing Wang (元 PNNL)、Karen Kruska、Matthew Olszta、Charles Henager、Danny Edwards、およびバージニア工科大学との兼務である村山ミツです。

詳しくは： JV Haag et al、核融合用途のための真珠層模倣タングステン重合金の界面強度の調査、Scientific Reports (2023)。 DOI: 10.1038/s41598-022-26574-4

雑誌情報:科学レポート

パシフィック・ノースウェスト国立研究所提供