核破砕中性子源用熱中性子吸収材Au-In-Cd合金の接合材開発

Development of bonding technique of Au-In-Cd alloy as thermal neutron absorber material for spallation neutron source

勅使河原 誠   ; 大井 元貴 ; 原田 正英   ; 春日井 好己  ; 高田 弘   

Teshigawara, Makoto; Oi, Motoki; Harada, Masahide; Kasugai, Yoshimi; Takada, Hiroshi

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の一つである1MW核破砕中性子源では、高分解能の中性子実験に重要な時間減衰の早いシャープな中性子パルスを生成するため、低放射化型のデカップラと呼ぶ熱中性子吸収材(Au-In-Cd材)の開発を行っている。1MWの熱入力による核発熱(最大: 5W/cm)の熱除去と熱応力(必要設計強度: 30MPa)を満足させるため、Au-In-Cd材と構造材であるアルミ合金(A5083)と接合の形成が必要である。アルミ合金は、外形150mm程度の扁平なボトル形状をしており、その形状に沿って厚さ3mmのAu-In-Cd材をアルミ合金に接合するため、その接合手法を確立することが課題である。本研究では、任意形状への応用性が高いHIP(熱間等方圧加圧)法に着目し、接合手法の確立に向けた開発を行った。100MPa圧力、1時間保持で5ケースの温度条件(490, 505, 520, 535, 550C)でHIP処理を行い、すべてのケースについて接合界面に拡散層が形成されることを確認した。特に、535Cのケースは、拡散層に金属間化合物の生成を伴うが、必要設計強度の3倍を超える十分な接合強度を持つことがわかった。

The Japan Spallation Neutron Source (JSNS) is a 1 MW pulsed neutron source of the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). A thermal-neutron-absorber material (Au-In-Cd alloy), called decoupler, is developed to obtain a neutron beam pulse with narrow width and fast decay (short tail). In order to utilize the Au-In-Cd decoupler, we need to make the bonding between Au-In-Cd and aluminum alloy (A5083), which is structural material of moderator with curved shape in terms of the heat removal (5 W/cm at maximum) and thermal stress. A Hot Isostatic Pressing (HIP) technique is adopted to obtain the bonding the Au-In-Cd alloy to the A5083. We found that the diffusion bonding was confirmed between the Au-In-Cd and A5083 alloy under the condition of the temperature of 490C to 550C (five cases), pressure of 100 MPa and holding time of 1 hour. In case of 535C, the intermetallic compound grown in the second diffusion layer from A5083 was confirmed, however, the strength for 535C gave three times higher than that of design requirement (30MPa).