ユーザー事例集

高性能タングステン材料のCVDプロセスの最適化

Brianne Christopher著
2020 11月

核融合力を物理的に可能にするだけでなく経済的にも可能にするためには, 高性能の核融合炉を開発する必要があります. ただし, これらのリアクターは, それ自体で高性能の材料を必要とします. 例として, リアクターの多くの部分の1つであるダイバーターについて考えてみましょう.

ダイバーター (図1) は, 灰やその他のプラズマ汚染物質を核融合容器から迂回させます. これらの部品は, 原子炉全体で最も過酷な環境に耐えることができなければなりません. では, これらの部品に適した材料は何でしょう? タングステンを使用すると, ダイバーターは妥当な動作寿命を保つことができ, 巨大な粒子と熱流束, 中性子による激しい衝撃, さらにプラズマ侵食と熱サイクルにも耐えることができます. タングステンは熱伝導率が高く, ダイバーターの他の材料の選択肢とは異なり, 核変換による半減期が長い放射性同位元素を生成したり, 水素を過度にトラップしたりすることはありません.

タングステンよりも強く

タングステンにも欠点があります. 通常もろく, 中性子衝撃と過熱への暴露と相まって, 核融合炉の運転寿命にわたってさらに脆化してしまう可能性があります. 脆性に対する1つの解決策は, タングステン繊維強化タングステン (W_f/W)と呼ばれる材料を製造することです. これはより丈夫な材料であり, その複合構造を通じて, 繊維強化セラミックのように, 疑似延性複合挙動を与える亀裂散逸メカニズムを持ちます.

W_f/Wを製造する際に, 現在使用されている方法の1つとして, 半導体業界で人気のある製造プロセスでもある, 化学蒸着(CVD)があります. このプロセスでは, ガス分子が加熱された基板を含む反応チャンバーの表面に吸着し, 反応します(図2). これらの相互作用により, 薄くて高純度の材料膜(ここではW)が基板上に堆積します. このプロセスで生成された W_f/Wを核融合炉で使用できるようにするには, CVDプロセス自体を最適化して, 生成された材料の相対密度と繊維体積分率が適切になるようにする必要があります. Forschungszentrum Jülich GmbH(FZJ), エネルギー気候研究所, および Max Planckプラズマ物理研究所の研究者は, このプロセスとその最適化方法を調査することを目的としました.

W_f/WのCVD生産のための完全なモデルの開発

W_f/W製造のためのCVDプロセスの重要な要素の1つは, タングステンの堆積速度です. これは, 関係する温度と分圧に依存します. タングステンの堆積速度は, 反応部位の表面温度や分圧など, 反応物の形状, ヒーター温度, ガス流量, ガス組成に依存するさまざまなパラメータが関係するため, 予測が困難です.

CVDプロセスを予測するための重要な理由の1つは, タングステン材料に細孔が形成されないようにする必要があるためです(図3). CVDプロセス中, ガスがファイバー基板を通って流れ, タングステンがファイバー間に堆積します. 繊維間の領域は, 固体Wで満たされるはずです. ただし, 一部のガス状ドメインは, 気相の大部分からの経路がW堆積物によって閉じられたり, 塞がれたりすると, 新しい反応物から分離される可能性があります. つまり, 細孔は, それらをタングステンで満たされるために必要な反応物にアクセスできないため, プロセス全体を通して細孔のままで止まってしまうということです.

材料強度を低下させる細孔形成を低減または回避するために, 基板のジオメトリおよびCVDプロセスのパラメータを注意深く調整する必要があります.

FZJ研究の目標は, W_f/Wの気孔率を減らすことでした. このために, FZJの材料エンジニアであるLeonard Raumann氏は, 最初のステップとしてW堆積速度の式を見つける必要がありました. タングステンのCVDに関する既存の文献は物議を醸し, 不完全です. なぜなら, タングステンの堆積速度の方程式と値が, 研究ごとに互いに矛盾することが多いからです. Raumann氏は, CVDプロセスの新しい反応速度式を発見し, 文献からの小さな断片を全体としてまとめました(参照1). しかし, どのように?

彼は, 非常によく知られている境界条件を使用して, 実験的な単繊維セットアップを設計しました. COMSOL Multiphysics^® ソフトウェアとパラメーター研究の助けを借りて, 反応速度式を求めました. 次に, 方程式を使用して, 複数のファイバーを使用 したW_f/W生産をモデル化しました. このために, Raumann氏は COMSOL Multiphysics^® を再度適用し, 続いてパラメーターを最適化しました. 結果として得られたパラメーターも実際にうまく適用されました.

マルチフィジックスモデルの開発と検証

タングステンの化学蒸着速度の新しいモデルを開発するための単繊維のセットアップを図4に示しています. これには, 予熱器とメインヒーターが含まれています. 研究者たちは, タングステンがどれだけ速く成長するか, そしてこの成長速度が温度と分圧によってどのように影響を受けるかを見ようとしていました. 次に, 温度とWF₆分圧に応じて, フッ化タングステン(WF₆)の反応次数を1と0の間で調整しました. このために, 彼らは数値モデリングを使用して, ガス混合物の流体力学, 熱損失の熱伝達,および堆積表面での化学反応の化学と反応速度式を研究しました.

マクロスケールのCVDリアクターモデルは, マイクロスケールの過渡シミュレーションの入力として分圧を返しました. このためには, Raumann氏は, 複数の隣接するWファイバー上に成長するWコーティング, およびWコーティングの表面間接触と対応する潜在的な細孔形成をモデル化しました. Raumann氏の論文(参照1)では, 彼はW_f/W のCVDプロセスの堆積速度, 細孔構造, および相対密度の実験を比較することにより, これらのモデルの検証に成功しました(図６). 3番目のステップとして, マルチファイバーモデルをCVDプロセスパラメーターの最適化に使用して, シミュレートされた(そして後で実験的な)材料密度の改善に成功しました.

核融合研究の拡大

FZJ-IPPチームは現在, 検証済みモデルを3Dジオメトリに適用して, W_f/W生産をさらに拡大することを計画しています. 彼らは, 1つのコイルがWファブリック(CVD基板)を別のコイルに送り, 1つのコイルがバインドされておらず, もう1つのコイルがコイル状になって加熱されるという新しいアプローチの開発を目指しています. これにより, チャンバーを閉じた状態でファブリック層のスタッキングを行うことができるため, 1回のCVDプロセスですべての層を堆積できます(この方法で汚染のリスクも低くなります).

タングステン繊維強化タングステンの製造工程を拡大することは, 核融合エネルギーの新たな可能性を意味します. この研究の以前は, タングステン材料の1つの層を生成するのに約5時間かかりましたが, CVDプロセスパラメーターを最適化することにより, W_f/Wの1つの層の生成にかかる時間はわずか30分です. これは以前より10倍高速です! 核融合炉用の高性能材料の製造プロセスを最適化することにより, 核融合発電が可能であり, コスト効率が高いことを保証できます.