Tritium permeation through structural materials is one of the critical issues in a fusion reactor from the viewpoints of an efficient fuel cycle and radiological safety. Ceramic coatings have been studied as tritium permeation barriers (TPBs) and shown sufficient reduction of hydrogen isotope permeation. In high thermal efficiency liquid blanket concepts, however, not only tritium permeation but also corrosion of the structural materials by liquid tritium breeders such as lithium–lead (Li–Pb) is a serious concern. This study focuses on the fabrication of two kinds of yttria-stabilized zirconia (YSZ) coatings by metal organic decomposition and characterization through several tests such as deuterium permeation and static Li–Pb exposure. The 4 mol%-Y2O3-containing YSZ coating of less than 100 nm in thickness showed three orders of magnitude lower deuterium permeation flux than uncoated substrate after crystallization and grain growth, and the high permeation reduction performance maintained through the thermal cycle tests. The 10 mol%-Y2O3-containing YSZ coating sample showed a high permeation flux due to the defects formed during the permeation measurement. Both coatings showed compatibility with Li–Pb. A phase transformation was confirmed in the 4 mol%-Y2O3-containing YSZ coating after bending tests, suggesting that the coating sample achieved a self-repairing property. These results indicate that the 4 mol%-Y2O3-containing YSZ coating would apply to the TPB.
構造材料におけるトリチウム透過は、核融合炉の燃料効率と放射線安全の観点から重要な課題である。セラミックコーティングはトリチウム透過バリア（TPB）として研究されており、水素同位体の透過を十分に低減できることが示されている。しかし、液体ブランケット概念では、トリチウム透過だけでなく、液体トリチウム増殖材（例えばリチウム–鉛（Li–Pb））による構造材料の腐食も深刻な問題となる。本研究では、有機金属分解（MOD）法を用いて2種類のイットリア安定化ジルコニア（YSZ）コーティングを作製し、重水素透過試験と静的Li–Pb曝露試験によりその特性を評価した。4 mol% Y2O3を含むYSZコーティング（厚さ100 nm未満）は、結晶化と粒成長後、未コーティングの基材と比較して重水素透過フラックスを3桁低減し、熱サイクル試験後も高い透過低減性能を維持した。一方、10 mol% Y2O3を含むYSZコーティングは、透過測定中に形成された欠陥により高い透過フラックスを示した。両コーティングともLi–Pbとの適合性を示した。さらに、4 mol% Y2O3を含むYSZコーティングは曲げ試験後に相変態が確認され、自己修復特性を有することが示唆された。これらの結果は、4 mol% Y2O3を含むYSZコーティングがTPBとして適用可能であることを示している。