先端計測技術の融合で実現する高耐放射線燃料デブリセンサーの研究開発(委託研究); 令和元年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 高エネルギー加速器研究機構*

JAEA-Review 2020-058, 101 Pages, 2021/02

JAEA-Review-2020-058.pdf:5.58MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和元年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、研究課題のうち、平成30年度に採択された「先端計測技術の融合で実現する高耐放射線燃料デブリセンサーの研究開発」の令和元年度の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、冠水した燃料デブリの分布状況及び臨界性を「その場」で測定・分析することを目的として、小型(200m510m厚)のダイヤモンド中性子センサーと、回路設計により耐放射線性を向上した集積回路を開発して中性子計測システムを構築し、マルチフェイズドアレイ・ソナーや表層下部音波探査装置(SBP)とともに、ROV(日英共同研究で開発)に設置し、PCV模擬水槽で実証試験を行う。

Tensile and fatigue strength of free-standing CVD diamond

Davies, A. R.*; Field, J. E.*; 高橋 幸司; 羽田 一彦

Diamond and Related Materials, 14(1), p.6 - 10, 2005/01

https://doi.org/10.1016/j.diamond.2004.06.015

化学気相成長(CVD)法で合成する人工ダイヤモンドは、近年、特に電子デバイス分野への応用が期待されている。核融合分野では高周波加熱装置の真空窓材として使用する。その真空窓は、真空容器と同じ境界をなすことから、安全性及び構造健全性を示す必要がある。そのためのデータを得るべく3点曲げによる強度試験及び疲労試験を行った。その結果、基盤側及び成長側の強度は、それぞれ69090MPa及び28030MPaであることが判明した。また、疲労強度は、破壊強度の89%で10回の繰り返し荷重を加えても破壊することは無く、健全性を示した。

Energetic deuterium and helium irradiation effects on chemical structure of CVD diamond

佐々木 政義*; 森本 泰臣*; 木村 博美*; 高橋 幸司; 坂本 慶司; 今井 剛; 奥野 健二*

Journal of Nuclear Materials, 329-333(1), p.899 - 903, 2004/08

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.04.275

核融合炉用電子サイクロトロン波加熱(ECH)装置における真空窓として使用するCVDダイヤモンドの線照射実験を行った。照射にはコバルト60の線源を使用し、ITERにおいて10年間の照射量に相当する約16kGyまで照射を行うと同時に、XPSにより構造変化を測定した。その結果、spC+spCに対するspCの比が、酸素+炭素に対する酸素の比とほぼ等しいことがわかった。また、それらの比は3kGyまでは減少し、それ以降12kGyまでは上昇するということが判明した。これは、照射によりカルボニル基から酸素とspCへの分離の可能性を示唆しており、線照射による化学構造変化に対して、酸素の役割が非常に重要であると考えられる。

Disruption tests on repaired tungsten by CVD coating

谷口 正樹; 佐藤 和義; 江里 幸一郎; 横山 堅二; 秋場 真人

Journal of Nuclear Materials, 307-311(Part1), p.719 - 722, 2002/12

https://doi.org/10.1016/S0022-3115(02)01041-3

タングステン材は高融点でイオンによるスパッタリングが小さいなど、ダイバータ用アーマ材として多くの利点を有している。しかしながら、ディスラプション等による高熱負荷を受けた際に表面に生じる損傷は深刻であり、その修復方法の開発は必要不可欠である。本研究では、CVDコーティングによりタングステン表面を修復する手法について、その有効性の検討を行った。試料として純タングステン及び1%ランタン酸化物含有タングステンの2種を用意し、ディスラプションによる損傷を模擬するため電子ビーム照射装置にて1250MW/mの熱負荷を与えた。溶融孔の生じた表面に1mm厚のCVDコーティングを施した後、再度試料に1250MW/mの熱衝撃をあたえ、コーティング層の信頼性を試験した。その結果、前処理なしでCVDコーティングを行った試料ではCVD層が剥離したものの、前処理として損傷部の溶融層を取り除いた試料では再度の熱負荷を与えた後も健全であることがわかった。

単結晶人工ダイヤを利用した放射線検出器

西谷 健夫

Isotope News, (569), p.2 - 4, 2001/10

http://ci.nii.ac.jp/naid/10006850917

ダイヤモンドは、高温や高い放射線環境下でも作動し得ることから、ITER等の厳しい環境下で動作する放射線検出器としての応用が期待されている。しかし市場に流通している人工ダイヤモンドでは不純物が多くて問題がある。そこで、不純物の低減化が容易とされる化学気相合成(CVD: Chemical Vapor Deposition)法を用いた人工ダイヤモンドの使用を試みてきた。最初のCVDダイヤモンドは多結晶体であったため荷電粒子の捕獲・損失が無視し得なかった。今回、単結晶のCVDダイヤモンドの合成を実現し、世界で初めて放射線検出器としての動作に成功した。

Mechanical and thermal properties of dense SiC/SiC composite fabricated by reaction-bonding process

田口 富嗣; 井川 直樹; 山田 禮司; 二川 正敏; 實川 資朗

Ceramic Engineering and Science Proceedings (25th Annual Conference on Composites, Advanced Ceramics, Materials, and Structures: A), 22(3), p.533 - 538, 2001/03

SiC/SiC複合材料は、高温強度に優れ、低放射化の観点から核融合炉の候補材料の一つである。これまでに、BN層をコーティングした繊維を用いて、優れた破壊挙動を有する結果が報告されている。しかし核融合炉環境下では、BNは放射化の点で大きな問題となる。そこで本研究では、BN層の代わりに化学蒸気蒸着(CVD)処理によりC及び-SiCをダブルコートした繊維を用いて反応焼結法により、SiC/SiCを作製した。比較のため界面層のない無処理繊維も用いて作製した。その結果、高密度(2.7g/cm)の試料を作製できた。3点曲げ試験の結果、無処理繊維を用いた試料は脆性破壊を示した。一方、CVD処理繊維を用いた試料では、非脆性破壊挙動を示した。曲げ応力及び破壊エネルギーは、310MPa及び2.0kJ/mと高い値を示した。また、この試料の熱拡散率は、室温で0.17cm/sであった。従来法により作製された試料の熱拡散率(0.08cm/s)に比べ、とても高い値を示した。

Characterizatin of Au Schottky contacts on p-type 3C-SiC grown by low pressure chemical vapor deposition

児島 一聡; 吉川 正人; 大島 武; 伊藤 久義; 岡田 漱平

Materials Science Forum, 338-342, p.1239 - 1242, 2000/00

今回、p型3C-SiCについてAu/p-型3C-SiCショットキー接合を作製し、その特性について調べた。3C-SiCのショットキー接合に関して、n型については良好なショットキー特性が得られている。一方、p型については結晶性の劣化により良好なショットキー特性が得られていなかった。p型3C-SiCは縦型減圧CVD装置を用いて作製した。成長条件は、水素、シラン、プロパン流量がそれぞれ2.0slm,0.5sccm,0.52sccm,反応管内圧力100Torr、基板温度1300で行った。また、p型のドーパントとしてAlを成長中にドープした。この結晶を用いて、Auをショットキー電極としてAu/p型3C-SiCショットキー接合を形成し、その特性を調べた。電流-電圧特性を調べたところ、p型3C-SiCで初めて良好なショットキー特性が得られ、得られた最大の逆方向耐電圧は42Vであった。また、Au/p型3C-SiCショットキー接合の障壁高さを電流-電圧特性測定、キャパシタンス測定、XPS測定から見積もったところ、それぞれ1.120.12eV,1.110.16eV,1.400.15eVと見積もられた。これらの値はすでに見積もられているn型3C-SiCのAuショットキー障壁高さから予測される値と一致しており、このことからp型3C-SiCについてAuショットキー障壁高さを実験的に初めて求めることができた。

Development of a synthetic diamond radiation detector with a boron doped CVD diamond contact

金子 純一; 片桐 政樹; 池田 裕二郎; 西谷 健夫

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 422, p.211 - 215, 1999/00

https://doi.org/10.1016/S0168-9002(98)01096-1

ダイヤモンド放射線検出器の分極現像を抑制するため、イオン注入法に代わる照射損傷のない方法として、合成ダイヤモンド単結晶上にボロンをドープしたCVDダイヤモンド層を成長させ電極として使用することを試みた。試作した検出器は5.486MeV線に対して0.39%の高いエネルギー分解能を持ち、エネルギー分解能を保持したまま、50cps以上の計数率で安定して測定を行うことができた。一般にボロンをイオン注入法でダイヤモンドに打ち込んで作製した電極はインジェクション電極として説明されてきたが、本検出器ではブロッキング電極として動作していることがわかった。

Chemical vapor deposition diamond window for high-power and long pulse millimeter wave transmission

春日井 敦; 坂本 慶司; 恒岡 まさき; 假家 強*; 今井 剛; Braz, O.*; Thumm, M.*; J.R.Brandon*; R.S.Sussman*; A.Beale*; et al.

Review of Scientific Instruments, 69(5), p.2160 - 2165, 1998/05

https://doi.org/10.1063/1.1148916

ITER工学R&Dのもとにドイツのカールスルーエ中央物理研究所と共同で、化学気相成長法による大口径ダイヤモンドディスクの大電力高周波実験を、原研のジャイロトロン試験装置を用いて行った。ダイヤモンドは低い高周波損失係数(0.5~210)、非常に高い熱伝導率(常温において銅の約5倍)を持つので、水による周辺冷却が可能であり、ジャイロトロンなどの大電力高周波窓として最適である。実験では170GHz、110kW、10秒の高周波を、周辺と水冷却した直径96mm、厚さ2.23mmのダイヤモンド窓に入射し、中心部の温度上昇が約40Kで安定することが確認でき、計算結果とよい一致を示した。この結果からダイヤモンド窓はITER用で用いる1MWの大電力高周波窓として有望であることが確かめられた。

Disruption erosions of various kinds of tungsten

鈴木 哲; 大楽 正幸; 横山 堅二; 秋場 真人; 田辺 哲郎*; 中村 和幸

Fusion Engineering and Design, 39-40, p.295 - 301, 1998/00

https://doi.org/10.1016/S0920-3796(98)00241-5

ITER用ダイバータ板の候補材料として有望視されているタングステンのディスラプション時における熱衝撃による損耗量を測定した。試料に与えた熱負荷は1000~2400MW/m,2ms,使用した装置は高熱負荷実験用電子ビーム装置(JEBIS)である。試験に供されたタングステンは、化学蒸着タングステン(CVD-W),焼結タングステン(A-W),単結晶タングステン(M-W)の三種類である。損耗量は高感度の天秤を用いて測定した。試験の結果、CVD-Wの損耗量が他の2つのタングステンより1/2~1/3程度小さいことが明らかとなった。この理由としては、含まれている不純物量が少ないこと、結晶粒が1/10~1/100程度に小さいことなどが考えられる。この結果から、CVD-Wは極めて高価格ではあるものの、低損耗材料であることから、ITER用ダイバータ板の表面材料としては有望と考えられる。