JRR-3冷中性子源装置の新型減速材容器に関わる熱流力設計

徳永 翔; 堀口 洋徳; 中村 剛実

JAEA-Technology 2023-001, 37 Pages, 2023/05

JAEA-Technology-2023-001.pdf:1.39MB

研究用原子炉JRR-3の冷中性子源装置(Cold Neutron Source: CNS)は、原子炉内で発生した熱中性子を減速材容器内に貯留した液体水素により減速し、エネルギーの低い冷中性子に変換する装置である。CNSから発生した冷中性子は、中性子導管を用いて実験装置に輸送され、生命科学、高分子科学、環境科学等を中心とする多くの物性研究に利用されている。中性子科学における世界の研究用原子炉との競争力を維持するためには、冷中性子強度の改善は不可欠であり、新たな知見を取り入れた新型CNSの開発を進めている。現行のJRR-3のCNSの減速材容器は、水筒型のステンレス製容器を採用しており、材質及び形状の変更により冷中性子束の強度を向上させることが可能である。そのため、新型減速材容器の基本仕様は、材質を中性子吸収断面積の小さいアルミニウム合金に変更し、さらに、モンテカルロ計算コードMCNPを用いて最適化した容器形状に変更した。これらの仕様変更に伴い、発熱や伝熱の条件に変更が生じることから、熱流力設計上の成立性を確認するため、JRR-3のCNSについて自己平衡性、熱輸送限界及び耐熱・耐圧等について改めて評価を行った。本報告書は、新型減速材容器に関わる熱流力設計上の評価を実施し、その結果を纏めたものである。

Lattice parameters of austenite and martensite during transformation for Fe-18Ni alloy investigated through neutron diffraction

Gong, W.; Harjo, S.; 友田 陽*; 諸岡 聡; 川崎 卓郎; 柴田 曉伸*; 辻 伸泰*

Acta Materialia, 250, p.118860_1 - 118860_16, 2023/05

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118860

Martensitic transformation is accompanied by the generation of microscale and macroscale internal stresses during cooling below the martensitic transformation start temperature. These internal stresses have been determined through X-ray or neutron diffraction, but the reported results are not consistent, probably because the measured lattice parameter is influenced not only by the internal stress but also by several factors, including solute elements and crystal defects. Therefore, neutron diffraction combined with dilatometry measurements during martensitic transformation and subsequent cyclic tempering were performed for an Fe-18Ni alloy. The phase strains calculated by lattice parameter variations show that a hydrostatic compressive strain in austenite and a tensile strain in martensite arose as the martensitic transformation progressed during continuous cooling or isothermal holding. However, the phase stresses of austenite and martensite estimated from these strains failed to hold stress balance law when dense crystal defects involved in the processes. After these crystal defects were removed by appropriate tempering, the stress balance law held well. Meanwhile, the phase stresses of austenite and martensite were changed to opposite, revealing their true identity. Various crystal defects in austenite and martensite, introduced by plastic accommodation, were suggested to affect their lattice parameters and then their phase stresses.

Photocatalytic unification of iodine species using platinum-loaded titanium dioxide

杉田 剛; 森 勝伸*; 香西 直文

Journal of Photochemistry and Photobiology A; Chemistry, 438, p.114548_1 - 114548_6, 2023/04

https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2023.114548

原子力事故や放射性廃棄物の放出によって汚染された水からヨウ素を除去することは、水中に様々な形でヨウ素が存在するため、複雑でコストがかかる。そこで、水中の放射性ヨウ素を除去するための前処理として、光触媒によるヨウ素種の統一を検討した。ヨウ化物(I)、ヨウ素酸(IO)、-ヨード安息香酸の光触媒酸化還元反応に及ぼすPt-TiO結晶相と溶液pHの影響を評価した。TiO結晶相とpHの選択により、混合されたヨウ素種をIまたはIOのみに統一することができた。Pt-TiOの種類に関係なく、アルカリ性条件下で-ヨード安息香酸中のヨウ素はIに無機化された。光触媒と溶液のpHを選択することでヨウ素種を単一化できるため、この光触媒処理は高効率でヨウ素種を除去するために適用できると考えられる。

令和3年度研究開発・評価報告書 評価課題「中性子及び放射光利用研究開発」(事後評価)

物質科学研究センター

JAEA-Evaluation 2022-012, 87 Pages, 2023/03

JAEA-Evaluation-2022-012.pdf:9.58MB

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(以下、「原子力機構」という)は、「国の研究開発評価に関する大綱的指針」(平成28年12月21日内閣総理大臣決定)及びこの大綱的指針を受けて作成された「文部科学省における研究及び開発に関する評価指針」(平成29年4月1日文部科学大臣決定)、並びに原子力機構の「研究開発課題評価実施規程」(平成17年10月1日制定、平成30年3月29日改正)等に基づき、令和3年8月17日に第3期中長期計画に対する事後評価を中性子及び放射光利用研究開発・評価委員会に諮問した。これを受けて、中性子及び放射光利用研究開発・評価委員会は、委員会において定められた評価方法に従い、原子力機構から提出された平成27年4月から令和3年10月までの中性子及び放射光利用研究の実施に関する説明資料の検討、並びに物質科学研究センターのセンター長及びディビジョン長、J-PARCセンターの副センター長及び物質・生命科学ディビジョン中性子利用セクションリーダーによる口頭発表と質疑応答を実施した。本報告書は、中性子及び放射光利用研究開発・評価委員会より提出された事後評価の内容をまとめるとともに、「評価結果(答申書)」を添付したものである。

Hierarchical aggregation in a complex fluid; The Role of isomeric interconversion

Massey, D.*; Williams, C. D.*; Mu, J.*; Masters, A. J.*; 元川 竜平; 青柳 登; 上田 祐生; Antonio, M. R.*

Journal of Physical Chemistry B, 127(9), p.2052 - 2065, 2023/03

https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c07527

There is an ever-increasing body of evidence that metallic complexes, involving amphiphilic ligands, do not form normal solutions in organic solvents. Instead, they form complex fluids with intricate structures. For example, the metallic complexes may aggregate into clusters and these clusters themselves may aggregate into super-clusters. In order to gain a deeper insight into the mechanisms at play, we have used an improved force field to conduct extensive molecular dynamics simulations of a system composed of zirconium nitrate, water, nitric acid, tri--butyl phosphate and -octane. The important new finding is that a dynamic equilibrium between the cis and trans isomers of the metal complex is likely to play a key role in the aggregation behavior. The isolated cis and trans isomers have similar energies but simulation indicates that the clusters consist predominantly of cis isomers. With increasing metal concentration, we hypothesize that more clustering occurs and the chemical equilibrium shifts towards the cis isomer. It is possible that such isomeric effects play a role in the liquid-liquid extraction of other species and the inclusion of such effects in flowsheet modelling may lead to a better description of the process.

A Colossal barocaloric effect induced by the creation of a high-pressure phase

Jiang, X.*; 服部 高典; Xu, X.*; Li, M.*; Yu, C.*; Yu, D.*; Mole, R.*; 矢野 真一郎*; Chen, J.*; He, L.*; et al.

Materials Horizons, 10(3), p.977 - 982, 2023/03

https://doi.org/10.1039/d2mh00905f

現在の蒸気圧縮式冷凍機に代わる環境に優しい冷凍機として、バロカロリック効果に基づく固体冷凍機が世界的に注目されている。一般に、バロカロリック効果が発現する相はいずれも常圧でも存在する。ここでは、それらの物質と違って、KPFが高圧の菱面体晶相を生成することにより、巨大なバロカロリック効果を示すことを実証した。相図は、圧力依存の熱量測定、ラマン散乱測定、中性子回折測定に基づいて構築されたものである。本研究は、巨大バロカロリー効果に、高圧相の生成という新たな手法をもたらすと期待される。

JRR-3原子炉施設における内部溢水影響評価

徳永 翔; 井口 晋太郎; 川村 奨; 平根 伸彦

JAEA-Technology 2022-004, 74 Pages, 2023/02

JAEA-Technology-2022-004.pdf:2.46MB

JRR-3原子炉施設は、平成25年12月に施行された「試験研究の用に供する原子炉等の位置、構造及び設備の基準に関する規則」への適合性を示すため、平成26年9月に原子炉設置変更許可を申請し、平成30年11月に許可を取得した。その後、原子炉設置変更許可申請書に記載された設計方針に基づき内部溢水の影響評価を実施した。内部溢水に対する法令の要求事項は、施設内で発生した内部溢水により必要な安全機能を喪失しないこと及び施設内で放射性物質を含む液体の溢水が発生した場合に、当該液体が管理区域外へ漏えいしないことの2点である。これらの要求事項に対して、それぞれ溢水源を想定し、必要な安全機能を喪失しないこと及び管理区域外へ放射性物質を含む液体が漏えいしないことを確認した。当該評価については、設計及び工事の計画を分割申請し、順次認可を取得した。本報告書は、JRR-3原子炉施設における内部溢水影響評価の結果を示すものである。

時刻歴応答解析を用いたJRR-3の制御棒(中性子吸収体及びフォロワ型燃料要素)の地震時の挿入性の検討

川村 奨; 菊地 将宣; 細谷 俊明

JAEA-Technology 2021-041, 103 Pages, 2023/02

JAEA-Technology-2021-041.pdf:8.7MB

JRR-3原子炉施設は、平成25年12月に施行された試験研究用等原子炉施設に対する新規制基準を受け、新たに基準地震動を策定し平成30年11月に設置変更許可を取得した。その後、新たに策定された基準地震動を用いて本原子炉施設に設置されている制御棒について地震時の挿入性評価を実施し、その評価結果について令和2年10月及び令和3年1月に設計及び工事の計画の認可を取得した。本報告書は、設計及び工事の計画の認可を受けた制御棒の挿入性のうち、中性子吸収体及びフォロワ型燃料要素の地震時の挿入性について新たに時刻歴応答解析を実施し、その挿入性が既認可の評価に比べ十分な余裕を有することを確認した結果を示すものである。

Tensile overload-induced texture effects on the fatigue resistance of a CoCrFeMnNi high-entropy alloy

Lam, T.-N.*; Chin, H.-H.*; Zhang, X.*; Feng, R.*; Wang, H.*; Chiang, C.-Y.*; Lee, S. Y.*; 川崎 卓郎; Harjo, S.; Liaw, P. K.*; et al.

Acta Materialia, 245, p.118585_1 - 118585_9, 2023/02

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118585

The present study investigates the crystallographic-texture effects on the improved fatigue resistance in the CoCrFeMnNi high-entropy alloys (HEAs) with the full-size geometry of the ASTM Standards E647-99. We exploited X-ray nano-diffraction mapping to characterize the crystal-deformation levels ahead of the crack tip after stress unloading under both constant- and tensile overloaded-fatigue conditions. The crack-tip blunting-induced much higher deformation level was concentrated surrounding the crack-tip which delays the fatigue-crack growth immediately after a tensile overload. The predominant deformation texture orientation in the Paris regime was investigated, using electron backscatter diffraction and orientation distribution function analyses. The twinning formation-driven shear deformation gave rise to the development of the Goss-type texture within the plastic deformation regime under a tensile-overloaded-fatigue condition, which was attributed to enhance the crack deflection and thus the tensile induced crack-growth-retardation period in the CoCrFeMnNi HEA.

Magnetic structural analysis of nanocrystalline soft magnets by small-angle neutron scattering

間宮 広明*; 大場 洋次郎; 廣井 孝介; 宮武 孝之*; Gautam, R.*; Sepehri-Amin, H.*; 大久保 忠勝*

IEEE Magnetics Letters, 14, p.7100105_1 - 7100105_5, 2023/02

https://doi.org/10.1109/LMAG.2023.3242108

In nanocrystalline soft magnets, microscopic magnetic states inside the materials important for macroscopic soft magnetic properties. Therefore, we measured small-angle neutron scattering of the nanocrystalline soft magnets. The results clearly indicate the magnetic scattering of the nano-crystallized samples, while the as-quenched sample shows only featureless scattering. This provides essential information for the relationship between the magnetic nanostructures and the macroscopic magnetic softness.