【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.15】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24HK0019

利用課題名 / Title

液体金属環境下における構造・機能材料の化学的共存性に関する研究

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学 / Hokkaido Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

核融合エネルギー、原子力エネルギー,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,電子顕微鏡/ Electronic microscope,集束イオンビーム/ Focused ion beam,電子分光/ Electron spectroscopy,エネルギー貯蔵/ Energy storage,環境発電/ Energy Harvesting,熱電発電/ Thermoelctric Power Generation,自己修復材料/ Self-healing material

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

近藤 正聡

所属名 / Affiliation

東京科学大学　総合研究院

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

北村嘉規,武藤龍平,HUMAM,萩原想大,小池陽大

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

松尾 保孝,遠堂 敬史,鈴木 啓太,吉田 すずか,平井 直美,森 有子,大多 亮

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術代行/Technology Substitution

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

HK-101：ダブル球面収差補正走査透過型電子顕微鏡
HK-202：オージェ電子分光装置
HK-401：収差補正走査型透過電子顕微鏡
HK-403：集束イオンビーム加工装置
HK-404：超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

次世代の核融合エネルギーや原子力エネルギーにおいて、これらのエネルギー変換を行うための冷媒として液体重金属流体が用いられる。課題として、液体重金属流体と候補構造材料との化学的共存性が挙げられる。本研究では、高温の液体重金属流体 (LiPbやSn、673 K～873 K, 1173 K)と様々な候補構造材料との化学的共存性を明らかにする事である。

実験 / Experimental

高温の液体重金属流体 (LiPbやSn、673 K～873 K, 1173 K)に対して、FeCrAl合金やODS-FeCrAl合金、Zircaloy-4などの候補構造材料の試験片を浸漬し、その接液面に形成される腐食組織などを、北海道大学の分析機器などを活用して詳細に明らかにした。また、構造材料の耐食性を改善させるための保護性酸化被膜の形成機構や性状について、北海道大学の分析機器などを活用して詳細に明らかにした。

結果と考察 / Results and Discussion

主な結果は次の通りである。〇　FeCrAl合金は、高温の大気中で予備酸化処理を施すことにより、表面にα-Al2O3被膜を形成し、液体金属に対する耐食性を改善することがわかった。〇　ODS-FeCrAl合金では、合金内に含む活性元素により、予備酸化処理による被膜の形成が促進される。また、被膜の境界面にはアンカー効果を発揮する凹凸が形成され、密着性が向上することがわかった。〇　Zircaloy合金は、高温の液体重金属との共存性が乏しいものの、低温条件では比較的良好な共存性を示すことがわかった。また、予備酸化処理により、表面にZrO2膜を形成させることにより、耐食性をより改善できることがわかった。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

[プレスリリース　公開日：2024.09.18] 核融合炉液体金属ブランケットの電磁ブレーキ効果の抑制へ －保護性α-Al₂O₃膜が異常酸化現象を克服－

[プレスリリース　2024年11月14日 ] 核融合炉の先進液体金属ブランケットの実現に見通し －600℃の液体燃料増殖材流動場に耐えるFeCrAl系酸化物分散強化合金の優れた耐食性－

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

< 受賞 >
武藤龍平：2024年日本原子力学会秋の大会 学生ポスターセッション 優秀賞　「ワイヤー放電加工を施したFeCrAl合金製円管内壁の異常酸化現象とその抑制法に関する研究」
武藤龍平: 令和6年9月原子核工学コース修士課程修了 優秀学生表彰(東京工業大学 原子核工学コース) 「Growth of α-Al2O3 layer involving abnormal oxides in FeCrAl alloy tube machined by WEDM process and electrical insulating performance in fusion reactor blanket」
武藤龍平：令和6年9月期核友会賞 (東工大核友会) 「Growth of α-Al2O3 layer involving abnormal oxides in FeCrAl alloy tube machined by WEDM process and electrical insulating performance in fusion reactor blanket」
武藤龍平:  第７回物質・デバイス共同研究賞（物質・デバイス領域共同研究拠点本部）「核融合炉の液体金属ブランケットにおけるMHD圧力損失低減を目指したFeCrAl合金製円管内壁の酸化処理
最適化に関する研究」
北村嘉規：日本原子力学会2025年春の年会　学生ポスターセッション 優秀賞 「流動鉛ビスマス中において自己修復したアルミリッチ保護性酸化被膜の密着性に関する研究」
小池陽大：日本原子力学会2025年春の年会　学生ポスターセッション 優秀賞 「1173K の鉛ビスマス環境下における ODS FeCrAl 合金の化学的挙動に関する研究」
近藤正聡、萩原想大、鈴木啓太(北大)、他：第7 回（2024 年度）「日本原子力学会材料部会Best Figure 賞」「600℃の液体リチウム鉛合金中においてZircaloy-4が形成したワニ状腐食組織」
萩原想大：令和7年3月期核友会賞 (東工大核友会) 「Zr合金と液体金属リチウム鉛および錫の化学的共存性に関する研究」
HUMAM : 令和7年3月原子核工学コース修士課程修了 優秀学生表彰 「Study on Electromigration Behavior in High Temperature Liquid Metal Pools」
HUMAM :令和7年3月期核友会賞 (東工大核友会) 「Study on Electromigration Behavior in High Temperature Liquid Metal Pools」

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Masatoshi Kondo, Chemical and structural durability of α-Al2O3 and γ-LiAlO2 layers formed on ODS FeCrAl alloys in liquid lithium lead stirred flow, Corrosion Science, 240, 112459(2024).
   DOI: 10.1016/j.corsci.2024.112459
   
2. Ryuhei Muto, Growth of α-Al2O3 layer involving abnormal oxides in FeCrAl alloy tube fabricated by WEDM process and electrical insulating performance in fusion reactor blanket, Surface and Coatings Technology, 493, 131250(2024).
   DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131250
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. (1) Yoshiki Kitamura, Atsushi Kawarai, Shigeru Saito, Hironari Obayashi, Masatoshi Kondo, Excellent corrosion resistance of self-healing Al-rich oxide layer on FeCrAl alloy in flowing lead bismuth eutectic, 16th International Workshop on Spallation Materials Technology, 2024年10月31日 (国際会議、口頭発表)
2. (2) Humam, Susumu Hatakeyama, Masatoshi Kondo, Study on Electromigration Effect in High-temperature Liquid Metal Pool, 16th International Workshop on Spallation Materials Technology, 2024年10月31日　(国際会議、口頭発表)
3. (3) 北村嘉規, 近藤正聡, ODS FeCrAl合金が形成するα-Al2O3被膜の密着強度に及ぼす温度サイクルの影響, 日本原子力学会2024年秋の大会, 2024年9月11日(学生ポスターセッション)、2024年9月12(一般口頭発表)
4. (4) 武藤 龍平, 遠堂 敬史, 近藤 正聡. ワイヤー放電加工を施したFeCrAl合金製円管内壁の異常酸化現象とその抑制方法に関する研究, 日本原子力学会2024年秋の大会, 2024年9月11日(学生ポスターセッション)、2024年9月12(一般口頭発表)
5. (5) 北村 嘉規, 瓦井 篤志, 近藤 正聡, 斎藤 滋, 大林 寛生. 流動鉛ビスマス中において自己修復したアルミリッチ保護性酸化被膜の密着性に関する研究, 日本原子力学会2025年春の大会, 3月12日(学生ポスターセッション)、2025年3月13日(一般口頭発表)
6. (6) 小池 陽大, 萩原 想大, 近藤 正聡. 1173Kの鉛ビスマス環境下におけるODS FeCrAl合金の化学的挙動に関する研究, 日本原子力学会2025年春の大会, 3月12日(学生ポスターセッション)、2025年3月13日(一般口頭発表)

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件