長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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超高流束協奏材料ユニット

ユニット長 長坂琢也

写真引用
Atmospheric Imaging Assembly (AIA 304) of NASA's Solar Dynamics Observatory (SDO)長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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ユニットの構成員と運営

ユニット会議：NIFS所員が参加 ～毎週
ユニット研究戦略会議：NIFS所員＋所外構成員 ～月1回
 オープンな会議とし、ユニット等評価委員会委員にも参加ご案内をする
ユニット研究戦略会議
所外構成員（共同研究者）

NIFS所員
議決権あり
日程調整連絡あり

会議委員（仮称）
議決権あり
日程調整連絡あり
1年更新 適宜入替

ユニット提案者から依頼開始し調整中
議決権なし
日程調整連絡あり
次年度以降 委員候補

過半数（8名）出席で会議成立 出席者過半数で可決
長坂琢也
高山定次
田中照也
小林 真申 晶潔
能登裕之
9/1~新任准教授

北海道大学・橋本直幸
東北大学・笠田竜太（客員）横浜国立大学・大野直子（客員）静岡大学・近田拓未
光産業創成大学院大学・森 芳孝
富山大学・波多野雄治
京都大学・檜木達也

北海道大学・山内有二 岡 弘
東北大学・近藤創介 栗田大樹
東京工業大学・近藤正聡
静岡大学・大矢恭久
京都大学・田辺克明 藪内聖皓
九州大学・片山一成 大宅 諒

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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ユニット構成員が関わる工学と物質
核融合

化学プラント/
自然・再エネ

光子・プラズマ
セラミックス
金属・合金

北大・橋本 北大・岡
東北大・笠田横国大・大野京大・藪内

被覆 腐食 水素挙動 照射損傷

NIFS・長坂強度学・構造材
NIFS・能登冶金学・加工成形
NIFS・申組織学・高熱流機器

光産大・森NIFS・田中
物性学・炉システム
NIFS・高山電磁気学・マイクロ波
NIFS・小林
物理化学・水素同位体

北大・山内静大・大矢静大・近田富山大・波多野原子力

京大・田辺九大・片山九大・大宅

有機・炭素

東北大・栗田東北大・近藤
京大・檜木

宇宙・航空

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

Ver. 44/24

超高流束 協奏 材料 ユニット（UlCoMat）
Ultrahigh-flux Concerting Materials Unit
核融合原子力宇宙
航空
化学プラント

核融合熱
プ源
ラズ
マ

材料
超高流束 熱・粒子ビーム

冷却

協奏

超高流束とは・・・
ものすごく大きな熱の流れ
ものすごく強い粒子ビーム

ダメージを受ける一方ではなく、自ら変化、適応し、協調して音楽を奏でるがごとく、なじむ材料を創る

ulcomat@nifs.ac.jp

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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エネルギー・粒子 超高流束下にある
核融合・原子力・宇宙・航空・化学プラント材料
熱膨張
高（熱）応力
応力場勾配

温度勾配・欠陥濃度勾配
高温
核
融合プラズ
マ

高線量He
放射線 DTnH
エネルギー・物質の流れ

比較的
低温

冷却材・増殖材
腐食
異材界面
元素濃度勾配・欠陥濃度勾配

核融合炉ブランケット・ダイバータ

核燃料
酸化
物

温度勾配
高温
高線量
He
放射線 OnFP
H
エネルギー・
物質の流れ

高温
高応力
高線量
腐食

ロケット
燃料

温度勾配
応力勾配
濃度勾配

O
H
C
エネルギー・
物質の流れ

ロケットエンジン

比較的
低温
冷却材

酸
蒸化
気・還ガ元
ス反・
応

O
C

比較的
低温
冷却材

異材界面
元素濃度勾配熱膨張
高（熱）応力
応力場勾配

温度勾配
高温

燃料ペレット膨張
高応力T

熱膨張高（熱）応力
応力場勾配

温度勾配
高温

H

比較的
低温
冷却材

エネルギー・
物質の流れ

腐食
腐食

腐食

原子炉燃料被覆管

発電タービン・化学反応容器

図 過酷なエネルギー・粒子流束下にある材料と過酷環境要素

腐食
異材界面
元素濃度勾配長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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研究テーマの焦点
 核融合を含む過酷環境の特徴

過酷環境効果

核融合は全ての要素を網羅
先進工学

温度
核融合・原子力
非急
温度・応力・濃度場急勾配と照射重畳
応力
宇宙・航空・化学プラント
平
勾
衡
配濃度
 エネルギーと物質粒子の超高流束状
超高流束エネルギー・粒子
照射損傷
態
 材料には非平衡状態がもたらされる
準安定相
自己組織化
メゾ構造と 準安定相
マクロ物性の相関
新材料創製
適応する材料 自己組織化構造
強度・照射
寿命の科学
水素・腐食
 研究の対象と戦略
耐える材料
学術変革・深化
材料特性
劣化の科学 準安定相・自己組織化構造の材料マク
ロ物性への寄与を深く理解
図 ユニットテーマの焦点 それらを活用し、超高流束と協奏する適応化構造を増幅する材料設計と新材料創製
 「安定で」「耐える」材料から、「準安定をとらえ」「適応する」材料へのパラダイムシフト
 工学システムを最小限の材料で構成し、経済性と安全性を両立させる寿命の科学

材料発で技術の限界突破：材料を制するものは技術を制す[1]

[1] 関本忠弘, 資源・素材学会誌 105 (1989) 8-12.

重点的な対象は、メタな状態にある材料：セラミック的金属と金属的セラミック
 セラミック的金属：共有結合性高融点金属、セラミックナノ粒子分散強化合金 等
 金属的セラミック：擬延性セラミック複合材、金属分散・非金属欠損セラミック長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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過酷環境・非平衡下での自己組織化（１）高応力（高歪）環境における散逸構造

非平衡開放系（散逸系）ではエネルギーと物質が耐えず流れている状態での自己組織化により散逸構造（周期構造）が現れる
 疲労[1]、強加工[2]、メカニカルアロイング後の転位セル構造

荷重

圧縮歪15%

5 mm

圧縮歪30%
アミメキリン [3]転位密度0チャップマンシマウマ[3]

図 X10CrAl24フェライト鋼における転位セル組織[1]室温、疲労試験後、塑性歪振幅0.2%×9000回

1016 m-2

図 純Cuにおける転位セル構造のシミュレーション[2][1] J. Man et al., Acta Materialia 52 (2004) 5551-5561.
[2] 青柳吉輝ら, 日本機械学会論文集（A 編） 77 (2011) 448-461.
[3] 東山動物園ホームページhttp://www.higashiyama.city.nagoya.jp/長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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過酷環境・非平衡下での自己組織化（２）高線量環境における散逸構造

古くは1971年に870℃、2 MeV-Nイオン、100 dpa照射したMoで発見されたボイド超格子[1]最近では12Crフェライト鋼の欠陥クラスターによる散逸構造形成過程のその場TEM観察[2]F82H, HVEM,300℃[3]12Cr-FS, 1 MeV-Kr,20℃, 15 dpa[2]チャップマンシマウマ[4]図 フェライト鋼における照射損傷のランダム構造と自己組織化による散逸構造[2, 3][1] J. H. Evans, Rad. Effects 10 (1971) 55-60.
[2] D. Kaoumi and J. Adamson, J. Nucl. Mater. 448 (2014)
233-238.
[3] H. Tanigawa, J. Nucl. Mater. 386-388 (2009) 231-235.
[4] 東山動物園ホームページ
http://www.higashiyama.city.nagoya.jp

図 欠陥クラスターの運動と自己組織化構造への吸収[2]長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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メゾ－マクロ相関
メゾ構造のマクロ物性への影響は未解明
材料の弾性率, 鉄で80 GPa
障害物の強度因子
転位運動の1ステップ,
஽஻்்

照射脆化：延性－脆性遷移
温度上昇

照射硬化は増える一方か？
飽和するか？
減ることもあるか？
ピークを通らないパスはあるか？

強度上昇
照射硬化

○均一
ナノスケール図 フェライト鋼F82H、Euroferの照射硬化・脆化[1]

鉄で0.25 nm௬

図 12Cr-ODSフェライト鋼 [2]
照射前の酸化物ナノ粒子転位運動の障害物間隔？ メゾ構造形成で照射硬化・脆化は、促進されるのか？
軽減されるのか？

不均一周期的メゾスケール

図 12Crフェライト鋼 中の照射欠陥[3]1 MeV-Krイオン、室温（20℃）、15 dpa[1] H. Tanigawa et al., J. Nucl. Mater. 417 (2011) 9-15., [2] T. Muroga et al., Fusion Eng. Des.
89 (2014) 1717-1722., [3] D. Kaoumi and J. Adamson, J. Nucl. Mater. 448 (2014) 233-238.

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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材料の適応化の可能性（１）照射誘起化合物の出現による照射効果の巻き戻し

核融合炉用バナジウム合金
 中性子照射34 dpa以上
で照射誘起の析出物
Ti5Si3 が観察 照射前の熱処理等では生じない準安定相
照射スエリング、照射硬化ともに30～70 dpaにピーク 析出物の生成とともに低下に転じる
析出物-母相界面の出現でシンクバランスが崩れ、空孔の過飽和状態が緩和されて、成長のための臨界サイズ以下のボイドの分解が促進された準安定相による照射効果の軽減が可能[1] H.M. Chung, J. Nucl., Mater. 239 (1996) 139-156.
[2] H.M. Chung, B.A. Loomis, L. Nowicki, J. Gazda,and D.L. Smith, Fusion Reactor Mater., DOE/ER0313/15, 1993, pp. 223-231.

Neutron irrad. in FFTF

Si = 56 – 1230 wppm

600℃, 34 dpa, V-4Cr-4Ti (BL-47)

Ti5Si3420℃, 114 dpa, V-20Ti (BL-16)

Fig. Irradiation swelling of V alloys[1]420℃, 46 dpa, V-20Ti-B (BL-15)

Fig. Irradiation hardening of V alloys [1]Fig. Irradiation-induced Ti5Si3 precipitates (DF image) [2]長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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材料の適応化の可能性（２）酸化物分散強化（ODS）鋼中ナノ粒子の多様性

申晶潔（NIFS）,
第9回ユニット構
築会議,
7/27/2021

図 12Cr-ODS鋼で同定された5種類の酸化物ナノ粒子の電子顕微鏡像（上図）と構造（下表）[1]Oxide particles
Y2O3
Y2TiO5
Y2Ti2O7

Crystal system

a (Å)

b (Å)

c (Å)

Α (°)

β ( °)γ ( °)

Monoclinic

13.50

3.47

8.46

90

99.77

90

Cubic

10.6

10.6

10.6

909090

Orthorhombic

10.35

3.7

11.25

9090

90

Hexagonal

3.61

3.61

11.84

9090

120

10.09 10.09 10.09

9090

90

Cubic

[1] J. Shen et al., Mater. Sci. Eng. A 673 (2016) 624-632.



メカニカルアロイング＋熱間・冷間加工：散逸系（強加工、合金化）
最終熱処理（1100℃×1h）：局所平衡（析出、再結晶）
ナノ粒子は単一ではない→散逸構造の痕跡を見ているのかも知れない
過酷環境で生き残るのはどの種？

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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材料の適応化の可能性（３）ブランケット冷却材－構造材界面に現れる腐食生成物層
 界面（被覆、腐食層、異材接合）は濃度急勾配があるので散逸系として面白く、思いがけない新材料創製の場があるかも知れない
近田拓未（静大）,第6回ユニット構築
会議, 7/6/2021.

注目↓[1] E. Akahosi et al., Corros. Sci. 189 (2021) 109583.

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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核融合炉材料研究の特徴と戦略（１）
限られた元素を用いた材料開発（構造材料）


放射化で長半減期の核種を生成する元素の使用制限
 高強度鋼、ニッケル合金に使用されるCo, Ni, Nb, Moが使用できないため新材料が必要
 本来的に高温強度が見込める高融点金属を活用
材料を高純度化したうえで、添加元素本来の効果（強化因子である析出粒子の形成等）を明らかにし極限まで性能を引き出す■青：無制限に使用可能■黄：0.1%以上添加可能、合金元素となりうる
Li Be □白：使用不可、不純物として除去必要
HHe 元素周期表
核融合炉で125B C N O F Ne dpa使用、100年高融点金属：高温で高強度Na Mg
Al Si P S Cl Ar 後に、人間が防護無しで作業す
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr るため（Handson limit）の元素
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 濃度上限
Cs Ba *1 Hf TaW

Re OsIr

Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Butterworth etal., J. Nucl.
Fr Ra *2Mater. 186*1 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu (1992) 283-287.
*2 Ac Th PaU長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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核融合炉材料研究の特徴と戦略（２）
メタな状態にある物質にこそ新材料創製の可能性
 過酷環境・超高流束下で安定な強化・機能因
固体・結晶子を活用し増幅する材料設計
 材料のミクロな構造と、それによって発現共有結合
金属結合するマクロな物性の動態（ダイナミクス）を イオン結合
n=2n≥3価電子を束縛理解し制御する原子数
セラミック
金属
n=1
価電子の運動領域の拡大
 温度、応力、濃度場と勾配、照射の影響、相 塩乗効果を明らかにし、機構モデル構築
FCC金属
BCC・HCP金属
高融点金属
 特にメゾ構造－マクロ物性相関は面白い
鉄鋼 Cu合金
Al合金（W, V, Ta）
Flibe, Flinak, 対象とする構造材料（容器、配管、壁）
分散/接合
LiCl, KCl/複合化
 高融点金属
セラミック
Al2O3, SiC,
Al2O3-x, SiC1-x,
 セラミックナノ粒子分散強化金属材料分
Y2O3, SnO2
Y2O3-x, SnO2-x的金属散強化合金（ODS鋼等）
金属注入/酸素欠損
 セラミック複合材：極細線維化、金属との図 固体・結晶の分類とメタな状態
接合、複合化→金属的擬延性

 対象となる機能材料（絶縁、水素制御、各種センサー）

金属分散セラミックス：金属粒子、傾斜注入金属
 金属成分過剰セラミックス：過飽和の非金属欠損
金属的セラミックス長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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核融合炉材料研究の特徴と戦略（３）個人テーマの考え方
 2~3の重点テーマ


ユニット計画の議論を踏まえ、まずはそれぞれ現在個人が取り組んでいる研究をベースとしつつ、超高流束のエネルギー、粒子で駆動される準安定相や自己組織化が現れる領域まで研究を拡張する

個人の志と適性にもとづいて、新たなテーマ、あるいは既存テーマの学際的展開や産学連携への展開にもチャレンジする 学際的視点：高強度化、高機能化、長寿命化、新材料創製
 例えば核融合炉ブランケット表面の電気絶縁被覆における劣化を、導電性セラミックとしての新たな機能発現と捉えれば、他分野で活躍できる可能性が出てくる
 特定のプラントのために最適な素子を作るというよりも、絶縁体の電気伝導のメカニズムを理解し、制御できる理論体系を構築することが重要
 核融合炉材料を他分野にそのまま持って行くのではなく、超高流束下でのミクロ・メゾ構造と、それによって発現するマクロ物性の動態を制御可能とする機構論と技術を他領域材料にも適用し、高強度化、高機能化、長寿命化を図る
 領域の境界を行き来して、核融合学の本領を発揮できる境界を広くする
 次ページから、個人テーマの超高流束下への拡張、新たなチャレンジについて、構造材料→機能材料の順で説明する
長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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NIFS所員の取り組み（１） 構造材料 長坂琢也
低放射化材料及び高温材料の創製
 放射化で長半減期核種を生成する不純物の低減
 Co, Cu, Fe, Nb, Ni, Mo
合金化、非平衡状態図の研究
 合金組成の再検討：高Cr、低Ti合金の可能性
 48Ti (n, a) 45Ca (n, a) 42Ar (t1/2: 32.4 y)  42K (12.4 h)
 冷却期間における真空溶解による42Arの除去
Table Composition of existing materials and new candidate V alloys

Planned Existing

Alloying elements, mass%

High-activation impurities, mass ppm

ID

CrTi

CoCuFeNb

Ni

Mo

NH2

4.02

3.98

0.7

2

49

0.8

7

24

0.01

<0.05

0.12

0.86

0.03

10ZV-2021
U4444<0.1<0.1<25<1<0.1<3Z44

44<0.05<0.05<0.5<1<0.1<10 高純度化・低放射化と引き換えの強度低下を回復

簡易計算

照射誘起析出物やボイド超格子と物性との相関
高dpa照射研究 準安定相Ti5Si3等の再現と応用
 大変形下（クリープ～1%）での欠陥構造の自己組織
Fig. Contact dose rate after neutron irradiation
化、構造と物性の不可逆性の解明（寿命の科学）長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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NIFS所員の取り組み（２） 構造材料 能登裕之
相変態誘起変形に基づく新金属加工学の探求
背景超塑性

微細粒超塑性

これまでの研究：低放射化フェライト鋼での実証

一般的に調査が進み、実践的な応用されている変形モード

変態超塑性*低放射化フェライト鋼による熱サイクル引っ張り試験結果

学術的視点

工学的視点

相変態を利用した強化組織の実現を目指した研究

相変態型超塑性成形の開発

微細粒超塑性を圧縮で使用すると….
→結晶粒界の最適化（GSMM処理）による粒界強度の飛躍的な向上が実現！！
粒界すべりJournal of Nuclear Materials 398 (2010) 87–92

内部のガス圧を利用先行研究に基づき内部応力による欠陥の増加

学術的新規性と本ユニットとの整合変態超塑性型の圧縮変形もまた、新しい強化機構を生み出す可能性を秘めていると考えている。部分的に非晶質化の可能性があるほどの内部応力が圧縮方向に加わる極限環境下で形成する組織（異相付近母相強化、および新しい強化粒子生成）の研究は、これまでとは全く異なるアプローチの強化法研究になると期待できる。

内圧試験体を用いた相変態下による等方加圧変形試験を計画

産業応用を念頭にした複合変形への展開を見越し、民間企業との連携を行う。

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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NIFS所員の取り組み（３） 構造材料 申 晶潔
過酷環境下における構造材料の安定性
 Stability of nanoscale oxide particles in ODS steels

Formation and Stability of oxide particles in fabrication process(large plastic deformation, high-temperature thermal annealing)
Stability of oxide particles during service environments (highirradiation dose, heat load, stress, corrosion etc.)
Chemical composition, Number density, Size, Shape, Interface
energy, Coherency, etc.

Microstructural evolution under extremely severe environments
図 12CrODS鋼の微細組織（酸化物ナノ粒子と転位）

 Irradiation response of high-purity vanadium alloys J. Shen et al. Mat. Sci. Eng. A 673 (2016) 624-632.
Effects of Cr and Ti on microstructure and mechanicalproperties of high-purity V alloys
Irradiation effects of the high-purity vanadium alloys(interstitial impurities, various Cr, Ti levels).

Based on clarifying the mechanisms of microstructural evolution ofstructure materials under ultrahigh-flux of energy and particles
and its effects on mechanical properties, to develop the adaptive
materials owning good high-temperature strength, irradiation
damage resistance, corrosion resistance, etc.

図 高純度バナジウム合金の高温降伏応力長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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NIFS所員の取り組み（４） 機能材料 高山定次
マイクロ波と物質の相互作用の解明
 マイクロ波共振器を用いた電場加熱と磁場加熱の結晶への影響

電場加熱では誘電損失で加熱されるが、磁場加熱では不対電子にエネルギーが吸収される。そのため、焼結後の結晶構造に大きな違いが生じた。
マイクロ波と物質の相互作用の基礎研究
電場加熱

Fe+2 ： Fe+3 = 1 : 2.1

磁場加熱

Fe+2 ： Fe+3 = 1 : 0.9

磁場加熱

Fe3+ + e-

Fe2+O2-から電子が取り去られホールがドープされた状態？
 MA処理とマイクロ波加熱のハイブリッドプロセス

今後の展開

MA処理の機械的エネルギーで転移やひずみで結晶構造を非平衡構造にし、その非平衡構造をマイクロ波で熱的非平衡加熱を行う。
 対象材料は、高融点材料のSiC, B4C、電池材料のフッ素ドープスズ（FTO)、電気伝導セラミックスの過飽和原子欠陥セラミックスとする。
長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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NIFS所員の取り組み（５） 機能材料 田中照也
過酷環境下における金属原子注入セラミックスの特性
液体金属
冷却材

金属壁LiFe1-10 mm

中性子LiCr

同時に
核融合発電炉*のブランケット冷却* A. Sagara et al., Fusion Engineeringand Design 89 (2014) 2114.

最大~1V
500～700℃
0V**
MHD圧力損失 低減用 セラミック被覆（Y2O3, ZrO2, Er2O3, Al2O3, MgO, etc.)**電磁ブレーキ効果

高温＋電界印加＋はじき出し損傷（最大~100dpa)

 核融合炉の複合過酷環境で機能を発現する

Fe, Cr,W, Mn,V, Ti,etc.

反跳金属原子の入射セラミックへ金属的特性が付与（金属的セラミックの形成）

強靭な先進材料の選別・創出

様々な金属原子混合セラミック被覆試料の製作＋イオンビーム照射実験
電気特性評価、各種材料分析に加えて、結晶状態を反映して変化する照射下発光スペクトル（光学特性）の分析
どのような準安定状態に自己組織化するのか、理論計算を導入しての特性変化メカニズム研究

 既存手法では難しい電気・光学特性を制御した一般環境用新規材料の創出
 [セラミック特性] 透明、耐腐食性、高強度等 + [金属特性] 導電性、加熱機能、電磁波シールド等
 [光学特性] 発光・吸光・反射波長制御、発光強度向上等

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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NIFS所員の取り組み（６） 機能材料 小林 真
水素・材料相互作用の体系化と応用の創生
水素と材料の基礎研究
 固体内の照射損傷と水素同位体の相互作用素過程の解明
 材料照射・水素注入実験、粒子入射に伴うカスケード散乱解析、確率論的損傷蓄積解析、水素移行現象解析等
 照射環境下における固体内の照射損傷の蓄積と水素同位体との相互作用現象の体系化

超高流束水素の応用 水素・材料相互作用の理解から応用を創生

超高流束水素による材料の構造制御、表面制御による水素の移動現象の制御
 化学量論の限界を超えた高性能水素吸蔵合金の開発
 高速・高効率な選択的水素ポンプ開発
 炉材料中に滞留したトリチウムの高効率除染法開発
 表面組成制御による水素同位体分離法開発

知見・技術の統合
 核融合炉の安全解析
 サブシステム中の物質移動現象を統合しその挙動を予測する核融合炉シミュレーター開発
 パッシブセーフティな炉システム提案開発長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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若手を主役とする連携の例
NIFS若手スタート支援（2022年度）課題
構造材料
非平衡状態で強化粒子の大量導入
格子欠陥の運動制御
機能材料
非平衡（金属過剰）セラミックスの物性
電子・水素（高速拡散粒子）の流れ制御

過酷環境・超高流束大変形（MA・超塑性・クリープ）
重照射（中性子・イオン）
過飽和水素（イオン・プラズマ）
過飽和金属（イオン・蒸着）
電磁場・温度急勾配（マイクロ波）

田中
膜生成
高山
膜分解
プラズマ
または熱源

被覆層
酸化層
高山
局所加熱

連携
所外構成員
ユニット間
異分野

超化学量論組成
水素化物探索

小林
水素吸蔵

長坂
照射損傷

構造材
能登
MA・超塑性

強化粒子安定性
新準安定相粒子

申
ナノ粒子

強化粒子・高機能相
安定性・新規生成
物性との相関腐食層被覆層

冷却材

長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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多様な超高流束場を造る新学術プラットフォーム
多重ビームイオン加速器複合施設
 温度、応力、濃度、照射の場を重畳させ、多様な過酷環境、非平衡下、超高流束条件を実現することが、これまでに無い新材料の探索と、適応材料工学としての体系化の鍵となる
 特に照射損傷は熱的には得られない格子間原子や核変換元素を大量に導入できる
 加速器イオン照射の特長と課題
 中性子照射と比較して材料の放射化が少なく、系統的に条件を変化させることが容易
 加速器イオン照射実験にもとづき理論を構築、限られた中性子照射実験で検証
 材料内での飛程が短いので微小体積での物性評価とスケール性の解明が必要
 多重ビームイオン加速器＋高度材料分析ステーション＋照射材料インフォマティクス
 多重ビーム加速器複合施設
新学術プラットフォーム
五重ビーム同時照射加速器

自己イオン：Fe, W, Si, Cu …
核 He
荷重負荷
変1 MeV-p, 表面換
H
1 mm, 10 dpa/dイオ
プン 高ラ D流
温度勾配束ズマ
濃度勾配
局所加熱レーザ/電磁波 荷重負荷

材料中性子照射計画

連携・補完理論・モデル検証

A-FNS, 4 dpa/y
常陽再稼働, 5 dpa/y

構
想段
階

核融合材料：鋼, W, Cu …
現
原子力・宇宙・航空材料… 日米-HFIR, 1 dpa/y
東北大-BR2, 0.2 dpa/y 状
被覆, 接合・複合材界面,腐食層・・・
多重損傷・準安定相・自己組織化
冷
超微小領域試験・先進計測
却 複合過酷環境
模擬ターゲット
物質・材料シミュレーション長坂琢也, 2023年4月17日, NIFSユニット設立報告会

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まとめ
温度場急勾配・欠陥濃度場急勾配
高温
核物質粒子
融・合
プ 熱 エネルギー
ラ源ズ
超高流束
マ

核融合・原子力・宇宙・
航空・化学プラント

熱膨張
高（熱）応力応力場急勾配核融合は全ての要素を網羅

過酷環境効果比較的低温冷却材
腐食
異材界面
元素濃度場急勾配
欠陥濃度場急勾配

温度
急応力
勾
配濃度
照射損傷

非平衡
状態

適応する材料
寿命の科学
学術変革・深化

図 エネルギー・粒子高流束環境

先進工学
核融合・原子力
宇宙・航空・化学プラント
超高流束エネルギー・粒子

準安定相
自己組織化
新材料創製

メゾ構造とマクロ物性の相関
強度・照射
水素・腐食

耐える材料
劣化の科学

材料特性

図 ユニットテーマの焦点 核融合を始めとする先進工学システムの材料

温度・応力・濃度急勾配による超高流束場 →際立った非平衡状態
非平衡状態での準安定相の生成と自己組織化を深く理解し活用することで、過酷環境に適応化する材料の創製を目指す
適応化の限界としての材料寿命を科学し、過酷環境下で動作する先進工学システムの変革と長寿命化を図る
重点的な研究対象は、メタな状態にある材料：セラミック的金属と金属的セラミック
学術プラットフォームの将来構想として、多重ビームイオン加速器複合施設を提案