材料設計研究部

原子力材料工学研究部門

笠田 竜太

教授笠田 竜太

  • 准教授 近藤 創介
  • 助教 松川 義孝
  • 助教 余 浩

次世代基幹エネルギー源の扉を拓く耐極限環境材料

高温の溶鉱炉、低温の南極、真空と放射線の宇宙空間、高圧の海底・・・、これらは生身の人間では耐えられない極限の環境です。人類は、極限環境と人間が活動できる環境を隔てる防壁となる新たな材料、すなわち「耐極限環境材料」を創り出し、これらの環境を探索したり利用したりすることを可能としてきました。極限環境は、まさに人類のフロンティアであり、耐極限環境材料の発明が人類文明の発展を牽引してきたと言っても過言ではないでしょう。
今を生きる人類のフロンティアのひとつとして、新たなエネルギー源の開発が挙げられます。これまでに様々な未利用のエネルギー源が提唱されていますが、中でも「核融合炉」は長期間にわたって人類文明を支える基幹エネルギー源として期待されています。しかし、核融合炉は高温・高圧・放射線の極限環境が重なりあう複合極限環境を有することが、その実現に立ちふさがる障壁となっています。当研究室では、核融合炉あるいは先進原子力システム等の次世代期間エネルギー源の実現のカギとなる耐極限環境材料の研究開発を進めています。また、極限環境下における材料の変化を明らかにするために、最先端の材料分析法や超微小強度試験法を駆使した研究も進めています。

照射損傷、ナノ粒子強化材料、ナノインデンテーション、環境効果、コーティング
ナノ酸化物粒子‐母相界面に捕獲されたヘリウムキャビティ

ナノ酸化物粒子
‐母相界面に捕獲されたヘリウムキャビティ

 

耐極限環境材料をつくる

当研究室は、複合極限環境を有する核融合炉に用いられる材料として、特に、高温と放射線に対する優れた耐極限環境性能を示す「ナノ酸化物粒子分散強化合金」の研究開発を進めています。この合金は、金属マトリックス中にナノサイズの酸化物粒子を高密度に分散させた組織を形成することによって優れた特性を発現します。しかし、このような組織を得るためには、通常の金属材料の製造法である溶解法を適用することができません。
我々は、金属等の粉末を機械的に混合するメカニカルアロイング法を用いることによって、ナノ酸化物粒子を高密度に分散させるための組織制御と耐照射性発現に成功しています。

原子炉制御棒模擬体の溶融実験

原子炉制御棒模擬体の溶融実験

 

 

極限環境下における材料の変化を評価する

当研究室では、材料の機械的強度特性や熱伝導特性等を最先端の装置群によって評価しています。また、極限環境に置かれた金属材料の強度特性をナノメートルからマイクロメートルの微小なスケールで調べるために、ナノインデンテーション装置を駆使した新しい「超微小強度試験法」の開発も進めています。
材料の特性や劣化の要因となっている元素の機能や材料組織を解明することも重要です。例えば、電子状態と材料組織の同時分析を行うことを可能とした高分解能軟エックス線分光装置を備えた電子顕微鏡によって、福島第一原子力発電所におけるデブリの状態予測に貢献する基盤的な知見も得られています。これらの研究を通して、核融合炉のみならず、原子力プラントの安全性にも貢献可能な材料工学基盤の構築を進めています。

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