ユニット成果報告会2023 議事メモ
⽇時︓2024年5⽉8 ̶ 9⽇
場所︓管理・福利棟4階 第1会議室＋オンライン
5．超⾼流束協奏材料（⻑坂琢也，⼩林真，申晶潔）【C︓佐藤委員】ユニット⻑（⻑坂）から紹介されたユニットの分節化が分かりやすかった。超⾼流束の境界条件を受けた中での材料の⻑寿命化等、分かりやすい。それを受けて、２件⽬（⼩林真）の定式化に向けての説明、３件⽬（申）の具体的な例、と続き、良いユニット構成という印象を受けた。
【Q︓佐藤委員】材料の寿命については、⼈間でいうと、⽼衰していく⾃然死、と突然死がある。
⼈間の寿命と同様に、ミクロで誘発された要因がマクロにどのように進み、突然死に⾄るのかが分かると、⻑寿命化に向かうのであろう。⼀⽅で、いろんなところでほころび、⽋陥が出てきて、それらが重なると⾃然死に⾄る。材料の研究ターゲットもそのように分けているのか︖やはり、突然死を避けることによって、⻑寿命化をめざしているのか︖⾃然死的なところまでも含めているのか︖•突然死である材料の破壊は、破壊の原因が材料中に散らばっていて、その近くでたまたま応⼒が⼤きくなって、臨界点に達するとそこから破壊につながってしまう。⼀つはこれの原因を取り除くというのが考えられる。しかし、材料の場合は、この要因は強度を上げる機能を担っていることが多く、トレードオフで解決するということになる。これらは⽐較的サイズの⼤きなもので、１箇所の割れが周りに伝播する。その他に原⼦レベルでの⽋陥もある。照射下では、ミクロな転移が蓄積して⾃⼰組織化し、様々な構造を取り、原⼦レベルでの応⼒集中を⽣み、破壊が始まる。これについては、熱処理である程度元に戻せる。これは突然死への対処法となる。⼀⽅で、⾃然死への対応として、なるべくそういう状態にならないように材料への負荷を減らすという⽅向もある。不可逆的⽋陥がたまっていくのを制御しながら、システムからの負荷を下げることで、システム効率の観点からはデメリットだが、材料を⻑寿命化させることによりトータルで⾒るとシステムの魅⼒を出せるのではないか。原⼦のレベルでの可逆、不可逆を研究する必要がある。【⻑坂】【Q︓⾼部委員】⾮平衡・準安定構造形成について、熱に関しては分かるが、粒⼦もどんどん蓄積して設計限界を超える。できるだけ寿命を⻑くするといっても、⼊射する粒⼦のスラックス次第ではないか。実際に核融合で⻑い時間、粒⼦が蓄積しながら性能維持していくことは本当にできるのか︖頻繁に取り換えるとなるとコストがとても⾼くなる。どの位の寿命を考えているのか︖
⾮平衡な状態の粒⼦を材料中に蓄えるときに、材料としての限界があると思うが、この観点からこういった材料を⾒つけたい、といったガイドラインを教えてほしい。
•システム全体を⽌めて、⼀番寿命の短い機器を取り替えないといけない。原型炉の場
合、ダイバータ―が２年といわれており、他の機器も最低２年でよいことにはなるが、経済的で魅⼒的な核融合炉のためには寿命を⻑くする必要がある。原⼦炉などでは３０－４０年なので、⼗年程度持つものなどが⽬標となる。材料中に⼊射する粒⼦の蓄積については、⽔素は⼩さい原⼦であるため外部に流れることから、その流速と共存して成り⽴つ材料を開発することになる。⼊射するそれより⼤きな原⼦は蓄積するが、蓄積の仕⽅が⼤きな塊で少しできるのと、⼩さな塊で多くできるのでは影響が違うので、影響の少ない蓄積の仕⽅をさせる。さらに⽋陥が規則正しく集まってできた⾃⼰組織化構造であるボイド超格⼦は⾮常に安定で、粒⼦が蓄積することによる材料の膨れ（スウェリング）を抑制するといわれている。蓄積の仕⽅をコントロールし⻑寿命化を⽬指す。【⻑坂】【Q︓⾼部委員】⽔素エネルギーで⽔素を⾦属に吸蔵させる研究があり、いろんな材料が開発されてきた。同じような発想か︖•

⽔素については、流れるという観点と、貯めるという観点がある。超⾼流束にすると、純⾦属や純合⾦の状態に対する限界の⽔素蓄積量を超えるような構造状態に相転移する報告があり、そういったところにも挑戦する。寿命の観点と、新たな機能という観点、両⽅で進めていきたい。⽔素の過飽和状態を⽣み出せる材料の研究も⾏う。
【⼩林真】【Q︓⾼部委員】プラズマ・複相間輸送ユニットの研究と、このユニットの研究とどのように連携していくのか︖複相間系の中に材料が⼊るとエネルギーの流れがどう変わるかといった検討をしているということか︖•

プロジェクトとして提案しているSPICES計画は、プラズマ・複相間輸送ユニットとの連携で、我々は材料に特化しているが、プラズマと連成した⽔素輸送現象、プラズマの⾮平衡変化といった全体を統合したようなコード開発も⼀つのターゲットとして展開していけるのではないかと考えている。【⼩林真】【Q︓永岡】“思うようにいかない点”で、これまでの共同研究課題でユニットテーマと⽅向性の異なる研究の整理が難しいと書かれていたが、これまでの継続研究課題でもユニットテーマとの関連の中で、うまく発展させていくのが基本的な考え⽅と思う。整理、というのがどういう考え⽅なのか、問題意識を持っているのか︖•

位置づけに明確にすることが重要と考えている。超⾼流束、⾃⼰組織化のキーワードが⼊らないものもあり、そこをどうするかを課題と考えている。【⼩林真】【Q︓永岡】全部無理やりこじつける必要はないのではないか。研究が発展する環境を作ることが⼀番⼤事となる。
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無理にやめるといったことは⾏っていない。【⼩林真】【Q︓⼭⽥委員⻑】ユニット戦略の⽅向性、グループ内の制度設計的な点等、ユニットとしてのマネージメントはうまくされているのではないか。⼀番の狙いが時空間にスケーラビリティを持つような包括的理解を⽬指すとなっているが、その中⾝は、写真のミクロな分析や微⼩試験⽚での試験からマクロな物性、最終的には実機構造物にもっていかないといけない。勾配が⾮常に⼤きいところに注⽬すること等は重要であるが、プラズマなどではよく無次元化をしてスケーラビリティを担保したりする。⼀⽅でプラズマの周辺部に⾏くと分⼦原⼦過程など無次元化できないところがあり、そことの接続をどうするかといった課題がある。無次元化は使えないかもしれないが、包括的な理解としてどのような科学的アプローチがあるのか︖

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強度や機械特性を対象としたときに、⽋陥の理論では弾性定数で規格化し、横軸を弾性定数の何倍か、縦軸を温度とする空間の中で様々な材料が⼀つの線に乗るという整理⽅法がある。アシュリーダイヤグラムといった例等がある。同様に、核融合を含む
過酷環境材料版を作るのが⼀つの⽬標である。個々の要因の線形結合ではなくて、何らかの相互作⽤が表れるものを新しい現象として⾒つけるのも⽬標となる。温度勾配があるところに照射⽋陥が導⼊するとどのように分布するかというところでは、温度勾配の式と照射⽋陥の式が分けられずに⼀つの式にする必要があるといった、ソレー効果といわれる例がすでにある。同様に過酷環境における温度、⽋陥、粒⼦輸送等について結合するような式を作るのが⽬標となる。【⻑坂】【C︓⼭⽥委員⻑】新しいものの⾒⽅を⾒せるという点で、今までにない相図のようなものを⾒せてもらえると嬉しい。
【C︓笠⽥】核融合炉材料、炉⾃体の寿命を決める要素が定式化されていない。炉形式や運転モードも定まらず、最近の⼩型化への要求も出てきている中で寿命を決める要素が決まっていない。
核融合材料研究者は伝統的に軽⽔炉を参照し、プラント全体の寿命を決めるものとして圧⼒容器の照射脆化であるとされていることから、材料が照射によって脆くなっていくという現象を正しく理解するアプローチが中⼼であった。核融合炉でもダイバータやブランケットなど照射脆化の考え⽅が中⼼になっているが、核融合炉では壊れるメカニズムがたくさんあり、荷電粒⼦が⾶んでくるところではエロ―ジョンが寿命を決める。エロ―ジョンは単純なスパッタリングの物理なので、材料ではなくてシステムが頑張る必要がある。設計やプラズマ研究者と協奏していく必要がある。⾼フラックスで寿命がどう決まるかについては、核融合で⽣じる⽋陥のでき⽅が、軽⽔炉の圧⼒容器で対象とする脆化要因と全く異なる領域に⼊ってくる。⾼フラックスで粒⼦が⼊ってくる際の脆化や照射⽋陥のでき⽅は低フラックスとは⼤きく異なるであろうし、照射⽋陥の空間的分布もメソスケールの組織の制御によって変わってくると考えられる。外場のコントロールによって⽋陥のでき⽅が変わり、寿命も変わるかもしれない。
⼀番重要なのは、⾼フラックスの照射環境がないとこの研究はできないことである。これまでは京⼤エネ研の複合イオンビーム照射装置、DuETがあり、年間数⼗件の共同研究で貢献してきたが、現在停⽌してしまっている。我々コミュニティーはNIFSに⾼フラックス照射装置を設置して、プラズマ分野とも連携しつつ可⽤性の⾼い共⽤プラットフォームとして貢献してほしいという願いがある。そのためにこれだけの外部の研究者も超⾼流束協奏材料ユニットに参加して⾯⽩いことをやりたいと考えている。