長坂琢也, 2022年2月22日

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エネルギー・粒子高流束下材料学（仮）核融合科学研究所 長坂琢也

長坂琢也, 2022年2月22日

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ユニットテーマ提案書（１）①テーマ名
 エネルギー・粒子高流束下材料学
Materials technology at high flux of energy and particles②核融合としての課題
 低放射化、高強度、高機能かつ長寿命の材料の創製
 核融合炉の実現や高度化に関わる工学課題の本質は材料開発であることが多い
 ブランケット、ダイバータでそれぞれ1000トン、真空容器で10000トンの規模で使用される大量の構造材料を放射性廃棄物として排出しないことが課題
 放射能が早く減衰する元素のみで極めて純粋に構成され、高強度かつ長寿命材料を開発する
 燃料増殖、中性子増倍、プラズマ対向壁、絶縁、水素透過防止、防食に必要な機能材料、被覆、異材接合の開発
 単に従来より良いというだけでなく、核融合炉の安全性、社会受容性、経済性を格段に向上させ、炉システムや運用を変革するほどの飛躍を生む材料の創製を目指す長坂琢也, 2022年2月22日

低放射化元素材料の再利用を想定した例（厳しい例）




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将来の核融合炉では構造材料が中性子を吸収し、それ自身が放射性物質になる →材料の放射化
低放射化材料：放射性物質の大部分が100年以内に自然消滅し、廃棄処分や材料リサイクルが可能
例えばこれまでに開発された耐熱合金にはCo, Ni, Nb, Moのいずれかが必ず入っていた
これらの元素を使用しない新材料の開発■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
H

He 核融合炉で125dpa使用、100年B C N O F Ne
後に、人間が防Na Mg
Al Si P S Cl Ar 護無しで作業するため（HandsK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr on limit）の元素
濃度上限
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I XePt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Butterworth etal., J. Nucl.
Mater. 186
Fr Ra *2
(1992) 283-287.
*1 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Cs Ba *1 Hf TaW*2 Ac Th Pa

Re OsIrU
元素周期表長坂琢也, 2022年2月22日

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過酷なエネルギー・粒子高流束下にある
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
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

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

OC

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

酸化還元反応蒸気・ガス・

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

核融合プラズマ

温度勾配・欠陥濃度勾配
高温
高線量
He
放射線 DTn
H
エネルギー・物質の流れ

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, 2022年2月22日

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ユニットテーマ提案書（２）
核融合は全ての要素を網羅

過酷環境効果
非平衡状態

温度
応力
濃度
照射損傷

急勾配

③学術的な特徴づけ（何の研究だといえるか） 過酷環境・非平衡下で生じる準安定相と自己組織化構造の形成、発達と、物性との相関を深く理解 過酷環境・非平衡下で安定な強化・機能因子を活用し増幅する
 材料の適応と寿命を支配する根本法則を究めて体系化

関連工学
核融合・原子力
宇宙・航空・化学プラント
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

適応する材料
寿命の科学

強度・照射
水素・腐食
耐える材料
劣化の科学

学術変革・深化

図 ユニットテーマの焦点

材料特性④アプローチ（定式化） 高流束、非平衡下において、材料のミクロな構造と、それによって発現するマクロな物性の動態（ダイナミクス）を、原子の集団現象から理解し制御
 温度、応力、濃度場と勾配、そして照射の影響を、相乗効果を含めて明らかにし、機構モデルを構築
 準安定相と自己組織化構造が数10 nm～数μm周期の不均一メゾスケール構造となる場合には、マクロ物性との相関は極めて興味深い新しい課題長坂琢也, 2022年2月22日

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エネルギー・粒子高流束・非平衡下におけるナノ・メゾスケール構造とマクロ物性としての強度
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

∝強度上昇
照射硬化

○~5均一・ナノスケール

鉄で0.25 nm
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？

~50
不均一・メゾスケール

図 12Crフェライト鋼 中の照射欠陥[2]1 MeV-Krイオン、室温（20℃）、15 dpa 図 フェライト鋼F82H、Euroferの照射硬化・脆化[3][1] T. Muroga et al., Fusion Eng. Des. 89 (2014) 1717-1722.,
図 12Cr-ODSフェライト鋼 [1]
照射前の酸化物ナノ粒子[2] D. Kaoumi and J. Adamson, J. Nucl. Mater. 448 (2014) 233-238., [3] H. Tanigawa et al., J. Nucl. Mater. 417 (2011) 9-15.

長坂琢也, 2022年2月22日

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ユニットテーマ提案書（３）④アプローチ（定式化） つづき 過酷環境・非平衡下で生き残る、あるいは新たに生まれる強化・機能因子や、自己組織化による準安定構造を増幅するための材料設計→過酷環境への材料の適応化（耐える、からパラダイム転換）
 強化・機能因子や構造の物理的寿命を支配する基礎機構にもとづき、マクロ物性が工学的要求を下回る、材料としての寿命、そして様々な材料と異材界面で構成されるシステムの寿命を理解→材料をシステムに供し得る正確な寿命予測理論の確立
 ユニット構成員のテーマ
 志と適性にもとづき本心から打ち込めるもの ユニットテーマの焦点とリンクし個人の研究を新たな領域へ拡張するもの
 材料発で技術の限界突破を図るもの
 ユニットで協働することにより相乗効果が生まれるもの
 限られた研究資源を集中し成果を出すために重点化もする長坂琢也, 2022年2月22日

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ユニットテーマ提案書（４）⑤学際的展開 狭義の現象論に留まらず、役立つ特性を得る普遍的な機構論
 材料実験の他、計算科学やシステム工学の研究も呼び込んで推進、体系化
 過酷環境要素共通の核融合、原子力、航空宇宙、化学プラント等で一般化→過酷環境適応材料工学として発展
 構造とその多階層システムの外乱に対する応答、復元及び寿命の探究→生命科学における恒常性や回復力→自然界の耐久性⑥独自性，優位性など
 核融合環境の特徴は各種急勾配と重照射の重畳 核融合は過酷環境要素全てを網羅するので、その相乗効果研究を先導 自然界に広く適用される非平衡熱力学の過酷環境下への拡張
 固体では系の束縛が絶たれても急冷で構造が保たれ詳細分析実験が可能→計算科学との対応で、より一般化された機構モデルの構築長坂琢也, 2022年2月22日

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まとめ
温度
応力
濃度
照射損傷

比較的低温

エネルギー
高流束

核融合・原子力・宇宙・航空・化学プラント

異材界面
元素濃度勾配・欠陥濃度勾配高流束エネルギー・粒子
メゾ構造とマクロ物性の相関

適応する材料
寿命の科学

強度・照射
水素・腐食
耐える材料
劣化の科学

学術変革・深化

図 エネルギー・粒子高流束環境
関連工学
核融合・原子力
宇宙・航空・化学プラント

準安定相自己組織化
新材料創製

冷却材
腐食



核融合は全ての要素を網羅

過酷環境効果
非平衡状態

・熱源
核融合プラズマ

物質粒子

熱膨張
高（熱）応力
応力場勾配

急勾配

温度勾配・欠陥濃度勾配
高温

材料特性

図 ユニットテーマの焦点

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システムの変革と長寿命化を図る
材料に限らず、ご参画いただきたい分野
 計算科学 →固体での自己組織化→スケール小だがフリーズ可能→機構論→データ駆動新材料創製
 水素科学 →最小原子→高拡散・高密度流・最も顕著な同位体効果
 応用化学 →準安定化合物・新物質探索・高効率反応サイクル
 システム工学 →従来より良い材料というだけでなく、システムを変革をするほどの飛躍
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.