水銀ターゲット容器内壁のキャビテーション損傷観察に関する技術資料,2; キャビテーション損傷深さの測定

直江 崇; 涌井 隆; 木下 秀孝; 粉川 広行; 勅使河原 誠; 羽賀 勝洋

JAEA-Technology 2023-022, 81 Pages, 2024/01

JAEA-Technology-2023-022.pdf:9.87MB

大強度陽子加速器研究施設(Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC)の物質・生命科学実験施設に設置されている核破砕パルス中性子源水銀ターゲットでは、高エネルギーのパルス陽子ビーム入射時に、核破砕反応による中性子の発生と同時に水銀の急激な熱膨張によって、圧力波が発生する。この圧力波は、水銀中を伝ぱする過程で負圧によるキャビテーションを誘発する。水銀を充填するステンレス鋼製の水銀ターゲット容器の内壁近傍でキャビテーションが崩壊することによって、内壁表面には激しい壊食損傷が形成される。水銀ターゲット容器は、陽子ビームが入射することによって先端部分の内部発熱に起因する熱応力を低減するために、先端部を厚さ3mmの薄肉構造としている。陽子ビーム強度の増加に伴って、キャビテーションによる攻撃性は増加するため、壊食損傷がターゲット容器の疲労破壊や水銀の漏洩につながる。したがって、設計出力である1MWでの長期的な安定運転を実現するために損傷の低減化が求められている。キャビテーションによる容器壁面の壊食損傷を低減することを目的として、圧力波を低減するための水銀中への微小気泡注入や、ターゲット容器先端部の2重壁構造化などの対策を施している。損傷低減化策の効果の確認や、ビーム出力と壊食痕による損傷深さの相関を評価し、今後の運転条件を検討するために、使用済みのターゲット容器の先端部から試験片を切出し、損傷の観察を実施している。これまでに、内壁に形成されたキャビテーションによる損傷形態の観察と壊食痕による損傷の深さを測定することで、運転条件との相関について検討を実施し、気泡注入によって著しい損傷低減効果が発現されること、2重壁構造によって、先端部分の損傷形成がビーム出力に依存せず抑制できることを確認した。これらの成果によって、施設の設計目標である1MWの安定運転を実施可能な見通しを得た。本報では、これまでに開発、適用した実機水銀ターゲット容器内壁の損傷観察の手法、測定結果及び運転条件との相関についてこれまでに得られた成果をまとめる。

Positronium bubble oscillation in room temperature ionic liquids; Temperature dependence

平出 哲也

Journal of Physics; Conference Series, 618(1), p.012004_1 - 012004_5, 2015/06

https://doi.org/10.1088/1742-6596/618/1/012004

ポジトロニウム(陽電子と電子の結合状態)は物質中で負の仕事関数を持つため、液体中ではサブナノサイズのバブルを形成する。バブルが形成される際に、その大きさが安定するまでに、バブルの大きさの変化や振動が起こると考えられる。陽電子消滅法は、対消滅線を検出することで行われる手法であるが、その時間分解能は100-200ピコ秒程度であり、通常短時間で起こる液体中のバブル形成過程は、計測された例がない。室温イオン液体中における陽電子消滅過程では不思議な現象が多く見られてきたが、最近、これらが、バブル形成に時間を要するためであることが明らかとなってきた。そこで、バブル形成時の振動などが計測できる可能性があり、実際に、バブルサイズに依存する、三重項ポジトロニウムの消滅率の振動として捕らえることに成功した。一方、この振動の周期や減衰は、サブナノスケールにおける動的粘弾性を示しており、室温イオン液体をはじめとする液体の新しい動的特性評価法となりえることを示しており、振動が温度依存することを示すことで、動的特性が反映されていることも確認した。

Hydrogen up-take in noble gas implanted W

永田 晋二*; 山本 春也; 徳永 和俊*; 土屋 文*; 藤 健太郎*; 四竃 樹男*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 242(1-2), p.553 - 556, 2006/01

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2005.08.068

イオン注入は、材料表面の結晶構造・微細構造を変化させるとともに水素の吸蔵特性にも影響を与える。本研究では、単結晶金属へのガスイオン大量照射によりつくられる多孔質表面層における水素捕捉・放出機構について調べた。実験では、通常では水素をほとんど吸蔵しないタングステン(W)について、種々のイオン種(He, Ne, Ar, Kr, Xe)、加速エネルギーでイオン注入を行い表面構造,組成変化と水素捕捉・放出挙動への影響を調べた。実験の結果、イオン照射した試料表面層では、酸化物を伴った多孔質層の形成され、高濃度に水素が捕捉されることがわかった。また、水素の加熱再放出測定の結果から多孔質層における水素の捕捉は酸化物によるものではなく、注入ガスにより形成されたバブル,ブリスター,格子歪との相互作用が関係していることが明らかになった。

Irradiation effects on yttria-stabilized Zirconia irradiated with neon ions

北條 智博; 相原 純; 北條 喜一; 古野 茂実*; 山本 博之; 二谷 訓子; 山下 利之; 湊 和生; 佐久間 隆昭*

Journal of Nuclear Materials, 319, p.81 - 86, 2003/06

https://doi.org/10.1016/S0022-3115(03)00137-5

岩石型燃料の母材として注目されている安定化ZrOの照射特性を調べた。核分裂片による照射損傷は、高エネルギー領域で生じる電子励起による損傷と低エネルギー領域で生じる核的衝突による損傷の二種類に大きく分けることができる。この中で、材料の損傷は、核的衝突によるはじき出しが主と考えられている。そこで、原研が開発して、低エネルギーイオン加速器付設高分解能電子顕微鏡を用いて、加速電圧35keVのNeイオンを室温から1200Cに加熱した上記材料に照射し、各温度による損傷形態の違いを明らかにした。その結果、Ne照射では、各温度領域で材料の非晶質化を観察することができず、対照射性が非常に高いことを明らかにした。さらに、同温度の重照射で、数nmのNeバブルが生じることを明らかにした。また、1200Cの高温照射では、バブルは、大きく成長し数十nmに成長することを電顕その場観察法を用いて明らかにすることができ、この結果から、高温照射によるスエリング量を推定することが可能になった。

Runaway current termination in JT-60U

玉井 広史; 芳野 隆治; 徳田 伸二; 栗田 源一; 閨谷 譲; Bakhtiari, M.; Khayratdinov, R. R.*; Lukash, V.*; Rosenbluth, M. N.*; JT-60チーム

Nuclear Fusion, 42(3), p.290 - 294, 2002/03

https://doi.org/10.1088/0029-5515/42/3/309

ディスラプション時に発生する逃走電子電流は、第一壁の損耗をもたらすことが懸念されている。そこで、JT-60Uにおいて、発生した逃走電子を遮断するために表面安全係数(q)を下げる方法を開発した。qが減少して、2または3となったときに発生する強い磁場揺動によって逃走電子電流が消滅することを実験的に明らかにした。その消滅機構として、プラズマ周辺部に形成される低温の磁気バブルによる磁気面の変形を通した逃走電子の閉じ込め劣化を考察した。また、磁場揺動に伴って放出される逃走電子のエネルギーによる第一壁の熱負荷と、逃走電子遮断時にバッフル板に流れるハロー電流の測定・解説結果から、本遮断方法では逃走電子による第一壁の損耗を低減できることを示した。

Observation of electron bubbles in para-H-D(HD) mixtures by high-resolution ESR spectroscopy

熊田 高之; 森 昇治*; 熊谷 純*; 荒殿 保幸; 宮崎 哲郎*

Journal of Physical Chemistry A, 103(45), p.8966 - 8968, 1999/00

https://doi.org/10.1021/jp991650w

固体パラ水素(p-H)中に捕捉されたラジカル種のESRスペクトルは、マトリックス中の核スピンによる局所的な磁気摂動がないために、高感度、高分解能で測定される。われわれはこのような特徴を生かして、線照射した固体para-H-D(HD)混合系中に、高感度、高分解能のエレクトロンバブルのESRスペクトルを得ることに成功した。このエレクトロンバブルは、para-H中のD(HD)の濃度が大きいほど多くの収量が得られ、逆にこれらの同位体不純物を含まない純粋なpara-H中では観測されない。以上のことから、エレクトロンバブルは固体中のD(HD)が作るひずみにトラップされていると考えられる。また、減衰速度が温度にほとんど依存しないことから、量子力学的トンネリングにより拡散、消滅していることが示唆される。

日本原子力研究所と産業界の共同研究

石川 勇

Radioisotopes, 46(9), p.657 - 663, 1997/09

https://doi.org/10.3769/radioisotopes.46.657

RI・放射線の産業利用の現状を把握し、利用の活性化及び標準化を図るために、日本アイソトープ協会理工学部会内に設けられた「放射性同位元素等の産業利用専門委員会」で討論された資料とともに、原研における産業界との共同研究の現状を紹介し、多くの人の理解を得る資料である。内容は、外部の人が原研の施設や制度を利用するための情報と利用開発室における産業界との共同研究の実施例として、(1)非破壊検査に関する事例、(2)放射線応用計測法に関する事例、(3)トレーサ利用技術に関する事例について紹介する。

In-situ observation of the motion and growth of He bubbles in matrix and along grain boundaries in Al

小野 興太郎*; 古野 茂実; 北條 喜一; 北野 保行*

Microstructures and Functions of Materials (ICMFM 96), 0, p.273 - 276, 1996/00

アルミニウム中の結晶粒界でのヘリウムバブルの移動挙動を電子顕微鏡その場観察で調べた。バブルは粒界転位に沿って一次元的移動をすること、また大傾角粒界上でのバブル移動の拡散係数は粒内のそれの10倍以上であることを明らかにした。

In-situ observation of damage evolution in TiC crystals during helium ion irradiation

北條 喜一; 大津 仁; 古野 茂実; 出井 数彦*; 塚本 哲生*

Journal of Nuclear Materials, 212-215, p.281 - 286, 1994/00

https://doi.org/10.1016/0022-3115(94)90072-8

TiC結晶にヘリウムイオンを照射し形成された照射欠陥形成挙動を100Kから1500Kの試料温度範囲でその場観察した。イオン照射は400kV電顕付設のイオン加速器を用いて、加速電圧20kVのヘリウムイオン(2.510/cm・s)で行った。その結果、100Kから1300Kまでの温度範囲では、ヘリウムバブルは数nm以上成長しないことを明らかにした。又、100KでもTiC結晶は非晶質相が形成しないことを示した。さらに、焼鈍実験の結果、多量のヘリウムがTiC中に蓄積していることも明らかにできた。バブル成長は1400K前後で始まり、1500K以上で促進することも明らかにできた。

Studies of waste form and buffer material performance at Japan Atomic Energy Research Institute

馬場 恒孝; 三田村 久吉; 香西 直文; 稲垣 八穂広*

JAERI-M 93-116, 15 Pages, 1993/06

JAERI-M-93-116.pdf:0.84MB

原研における高レベル放射性廃棄物固化体及び緩衝材に関する最近の研究は、次の3つに大別できる。(1)ガラス固化体の微細構造に及ぼす放射線照射の影響(特に崩壊による影響)に関する研究。(2)キュリウム添加試料を使用したシンロック固化体の放射線損傷に関する研究。(3)緩衝材候補としてのベントナイトの主成分の一つであるスメクタイトへのネプツニウムの収着挙動に関する研究。