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論文

Research and development on membrane IS process for hydrogen production using solar heat

Odtsetseg, M.; 岩月 仁; 田中 伸幸; 野口 弘喜; 上地 優; 井岡 郁夫; 久保 真治; 野村 幹弘*; 八巻 徹也*; 澤田 真一*; et al.

International Journal of Hydrogen Energy, 44(35), p.19141 - 19152, 2019/07

Thermochemical hydrogen production has attracted considerable interest as a clean energy solution to address the challenges of climate change and environmental sustainability. The thermochemical water-splitting iodine-sulfur (IS) process uses heat from nuclear or solar power and thus is a promising next-generation thermochemical hydrogen production method that is independent of fossil fuels and can provide energy security. This paper presents the current state of research and development of the IS process based on membrane techniques using solar energy at a medium temperature of 600$$^{circ}$$C. Membrane design strategies have the most potential for making the IS process using solar energy highly efficient and economical and are illustrated here in detail. Three aspects of membrane design proposed herein for the IS process have led to a considerable improvement of the total thermal efficiency of the process: membrane reactors, membranes, and reaction catalysts. Experimental studies in the applications of these membrane design techniques to the Bunsen reaction, sulfuric acid decomposition, and hydrogen iodide decomposition are discussed.

論文

Development of container using plasma sprayed and laser treated material for sulfuric acid decomposition of thermochemical water-splitting iodine-sulfur process

井岡 郁夫; 栗木 良郎*; 岩月 仁; 久保 真治; 稲垣 嘉之; 坂場 成昭

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 5 Pages, 2019/05

熱化学水素製造法ISプロセスは、大規模水素製造法の候補の一つとして研究開発が進められている。ISプロセスの硫酸を蒸発・ガス化し、熱分解する工程の腐食環境は過酷であり、その環境に耐える機器材料にはセラミックスが用いられている。本研究では、脆性材料であるセラミックスを代替し得る、表面改質技術を用いて耐硫酸性と延性を兼ね備えるハイブリッド材料の開発を狙いとしている。プラズマ溶射技術とレーザー溶融処理技術の組み合わせより試作したハイブリッド材料試験片は、95%沸騰硫酸中で十分な耐食性を示した。これは、表面に形成させた高Si濃度の耐食層が硫酸環境で酸化し、接液面にSiO$$_{2}$$層が生成したためと考えられる。さらに、本技術による容器の製作性を確認するため、溶接部,面取り部,曲面の容器形状要素を有する容器状構造体を試作したところ、表面に形成させた耐食層に剥離等の欠陥は認められなかった。

論文

Gamma radiation resistance of spin Seebeck devices

Yagmur, A.*; 内田 健一*; 井原 和紀*; 井岡 郁夫; 吉川 貴史*; 小野 円佳*; 遠藤 純一*; 柏木 王明*; 中島 哲也*; 桐原 明宏*; et al.

Applied Physics Letters, 109(24), p.243902_1 - 243902_4, 2016/12

 パーセンタイル:100(Physics, Applied)

スピンゼーベック効果(SSE)に基づく熱電素子の$$gamma$$線抵抗性を調べるため、約3$$times$$10$$^{5}$$Gyの$$gamma$$線照射試験を実施した。SSE素子には、Pt/Ni$$_{0.2}$$Zn$$_{0.3}$$Fe$$_{2.5}$$O$$_{4}$$/GlassとPt/Bi$$_{0.1}$$Y$$_{2.9}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$/Gd$$_{3}$$Ga$$_{5}$$O$$_{12}$$を用いた。SSE素子の熱電特性,磁気特性、構造は、$$gamma$$線照射により影響されないことを確認した。この結果は、SSE素子が厳しい照射環境でさえ熱電素子として適用可能なことを示した。

論文

Characteristics of hybrid tube with Fe-high Si alloy lining by centrifugal casting for thermochemical water-splitting iodine-sulfur process

井岡 郁夫; 栗木 良郎*; 岩月 仁; 久保 真治; 勝山 仁哉; 稲垣 嘉之

Mechanical Engineering Journal (Internet), 3(3), p.15-00619_1 - 15-00619_8, 2016/06

原子力機構では、高温ガス炉の利用系として水素を製造する熱化学水素製造法(ISプロセス)の研究開発を進めている。ISプロセスには、濃硫酸を沸騰させて分解する過酷な腐食環境が含まれている。この腐食環境で十分な耐食性を有する材料としては、Fe-高Si合金とSiCの2種類の脆性材料が報告されている。延性のある炭素鋼の内側に耐沸騰硫酸用のFe-高Si合金を遠心鋳造によりライニングした2層管を作製し、その特性評価を実施した。Fe-高Si合金ライニング部は、沸騰硫酸中でも十分な耐食性を示した。Fe/Fe-高Si合金界面の評価として、熱サイクル試験(100$$^{circ}$$C$$sim$$900$$^{circ}$$C)を実施し、界面はく離はなかったが、界面近傍に割れが発生した。これは、FEMによる解析により加熱時の引張応力と片状黒鉛の析出が原因と考えられる。しかし、十分な界面強度を有することを確認した。

論文

Development research of corrosion-resistant structural material using Fe-Si alloy lining centrifugal cast-iron for thermochemical water-splitting iodine-sulfur process

井岡 郁夫; 栗木 良郎*; 岩月 仁; 久保 真治; 稲垣 嘉之

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 6 Pages, 2015/05

原子力機構では、高温ガス炉の利用系として水素を製造する熱化学水素製造法(ISプロセス)の研究開発を進めている。ISプロセスには、濃硫酸を沸騰させて分解する過酷な腐食環境が含まれている。この腐食環境で十分な耐食性を有する材料としては、Fe-高Si合金とSiCの2種類の脆性材料が報告されている。延性のある炭素鋼の内側に耐沸騰硫酸用のFe-高Si合金を遠心鋳造によりライニングした2層管を作製し、その特性評価を実施した。Fe-高Si合金ライニング部は、沸騰硫酸中でも十分な耐食性を示した。Fe/Fe-高Si合金界面の評価として、熱サイクル試験(100$$^{circ}$$C-900$$^{circ}$$C)を実施し、界面はく離はなく、十分な界面強度を有することを確認した。

論文

硬球押し込みによる多軸残留応力場の応力腐食割れ試験法への適用性評価

井岡 郁夫; 木内 清*; 滝沢 真之*; 伊藤 剛士*

日本金属学会誌, 78(1), p.16 - 22, 2014/01

 パーセンタイル:100(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

工業プラント等の構造材や溶接継手での応力腐食割れの迅速定量的評価には、多軸応力場の再現が不可欠である。WC製硬球の押し込みにより多軸残留応力場を形成した試験片を用いて応力腐食割れ試験を実施し、その適用性を評価した。SUS304平板試験片にブリネル型硬球を押し込み、それにより生じる圧痕周りの残留応力、変位をX線回折法、変位計により測定した。有限要素法による数値解析を行い、解析結果と測定値を比較し、両者が比較的よく一致することを確認した。数値解析により、残留応力が最適となるように押し込み硬球径、試験片ホルダー台座穴径、試験片板厚、及び押し込み深さを選定した。選定した押し込条件で作製した試験片を用いて塩化物応力腐食割れ試験を行った。圧痕周辺に発生した割れと残留応力分布を比較し、多軸残留応力場の応力腐食割れ評価法への有用性を示した。

論文

Corrosion resistance of structural materials in high-temperature aqueous sulfuric acids in thermochemical water-splitting iodine-sulfur process

久保 真治; 二川 正敏; 井岡 郁夫; 小貫 薫; 山口 明久*

International Journal of Hydrogen Energy, 38(16), p.6577 - 6585, 2013/05

 被引用回数:9 パーセンタイル:64.55(Chemistry, Physical)

熱化学法水素製造法ISプロセスに用いる硫酸濃縮器や硫酸蒸発器用の構造材料は高温かつ極めて腐食性の強い環境に曝される。そこで、材料腐食試験により、セラミックス材及び耐酸金属材の耐食性を評価した。腐食環境は、温度320, 380, 460$$^{circ}$$C、圧力2MPa、濃度75, 85, 95wt%の高温液相硫酸環境とした。供試材料の重量変化から、SiC, Si-SiC, Si$$_{3}$$N$$_{4}$$)の良好な耐食性("よく耐える"と格付け)を示した。高シリコン鉄(シリコン含有20%)の耐食性は"やや耐える"であったが、断面顕微鏡観察でクラックの生成が認められた。シリコン添加耐酸鋼は激しく腐食し、腐食速度は1gm$$^{-2}$$h$$^{-2}$$であった。これら腐食試験から、硫酸濃縮器や硫酸蒸発器用の構造材料にはシリコンを含有したセラミックス(SiC, Si-SiC, Si$$_{3}$$N$$_{4}$$)が適切であることを明らかにした。

論文

Study of optimum composition of extra high purity Ni-Cr-W-Si alloy for advanced reprocessing plant

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 木内 清; 中山 準平*

Proceedings of 2nd International Workshop on Structural Materials for Innovative Nuclear Systems (SMINS-2), p.391 - 400, 2012/12

次世代再処理施設の高酸化電位の耐硝酸性環境への適用を念頭にして高Cr-W-Si系Ni基合金組成の最適化を進めている。当該Ni基合金は、高酸化電位において現行ステンレス鋼の課題である過不働態が生じ難い優れた耐食性を有する。また、コールドクルーシブル誘導溶解と電子ビーム溶解を組合せた超高純度溶製技術(EHP)の適用により、溶融割れが生じず可塑性材が得られている。しかし、シリサイド生成能が高く、実用化上、熱間加工や溶接上の技術的制約が大きい。耐食性を損なわずに、それらの特性が良好な組成範囲を選定するため、SiとWの含有量を変えたEHP試験材を作製した。試験材の高温高速引張試験、及び耐食性や溶接施工性能の評価試験を実施して、最適組成範囲を検討した。

論文

Microstructural evolution and void swelling in extra high purity Ni-base superalloy under multi-ion irradiation

Kim, G.; 芝 清之; 沢井 友次; 井岡 郁夫; 木内 清; 中山 準平*

Proceedings of 2nd International Workshop on Structural Materials for Innovative Nuclear Systems (SMINS-2), p.273 - 279, 2012/12

In the present work, irradiation effects of high-purity Ni alloys were studied in terms of microstructural changes with respect to multi-ion irradiation by using JAEA triple-ion beam irradiation facility, TIARA. The alloys investigated are designed as the MA doped MOX fuel claddings for sodium cooled fast reactor and impurities, such as C, O, N, P, S were reduced less than 100 ppm in total to improve workability, irradiation embrittlement, inter-granular corrosion, and so on. Two types of alloys (Fe-40Ni-Cr-1.5Ti-1.5Al) with different Cr contents (20 or 25%) were used for the irradiation experiments. Single (Fe$$^{3+}$$ or Ni$$^{3+}$$), dual (single + He$$^{+}$$), and triple (dual + H$$^{+}$$) beam irradiation were conducted up to $$sim$$50 dpa, $$sim$$150 appmHe, and $$sim$$1500 appmH at 825K to evaluate the effect of radiation damage and the effect of transmuted gaseous elements. Void swelling was evaluated and compared with type 316 stainless steel. Other microstructural features, such as precipitation stability, dislocation structures were also evaluated to discuss irradiation resistance.

論文

Radiation hardening and IASCC susceptibility of extra high purity austenitic stainless steel

井岡 郁夫; 石島 暖大; 宇佐美 浩二; 桜庭 直敏; 加藤 佳明; 木内 清

Journal of Nuclear Materials, 417(1-3), p.887 - 891, 2011/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:66.23(Materials Science, Multidisciplinary)

主要元素の調整,有害不純物の低減,熱処理による微細粒化からなるIASCC対策を施した超高純度オーステナイトステンレス鋼(Fe-25Cr-35Ni EHP)を開発した。照射試験片は外径11mm,肉厚0.4mmの管から作製した。試験片は、JRR-3で不活性ガス中、25000h, 553Kで照射し、照射量は1.5$$times$$10$$^2$$$$^5$$n/m$$^2$$であった。IASCC感受性を評価するため、高温水中(7.7MPa, 561K, 32ppmDO)で照射材のSSRT試験を実施した。SSRT後のSEM観察より、Fe-25Cr-35Ni EHPは延性破面であったが、比較材のSUS304では約70%の粒界破面が観察された。微細組織の観察では、両材ともボイドは認められなかったが、照射欠陥のサイズ,密度に違いがあり、Fe-25Cr-35Ni EHPは、SUS304より耐照射性に優れているものと考えられる。

論文

Corrosion test of metallic materials in high temperature acidic environments of IS process

田中 伸幸; 長江 正寛*; 井岡 郁夫; 岩月 仁; 久保 真治; 小貫 薫

Proceedings of 19th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-19) (CD-ROM), 4 Pages, 2011/05

熱化学水素製造法ISプロセスの耐食材料研究の一環として、硫酸及びヨウ化水素酸の高温強酸環境における新規な金属材料の耐食性試験を実施した。硫酸環境では、Mo及びMo合金の窒化物に対して90wt%硫酸を用いて300$$^{circ}$$Cの浸漬試験を行った。本試験では十分な耐食性を示す試験片はなかったが、合金化することで耐食性が向上させることが可能であることを明らかにした。ヨウ化水素酸環境では、Nb-W合金に対して、200$$^{circ}$$Cの浸漬試験を行った。腐食速度は浸漬時間とともに十分な耐食性である0.1mm/y以下まで減少することを見いだした。

論文

Study of optimum composition of extra high purity Nb-W alloy for reprocessing condition with boiling nitric acid

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 木内 清; 中山 準平*

Proceedings of 19th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-19) (CD-ROM), 5 Pages, 2011/05

再処理施設用材料として、現行ジルコニウムより優れた耐環境割れ性を有する超高純度Nb-W合金(Nb-W EHP)を開発している。Nb-W EHPは、溶接性に技術的な課題がある。そこで、Wの最適組成範囲を選定するため、W量の異なるNb-W EHPの溶接継手をTIG溶接に作製した。引張試験,腐食試験,シャルピー衝撃試験により、Nb-W EHPの化学的,機械的特性へのWの影響を調べた。Nb-W EHP溶接継手の腐食速度に及ぼすWの効果がほとんどなかった。Wの増加はNb-W EHPの引張強さを向上させた。構造材として重要な延性-脆性遷移温度(DBTT)は、Wの増加に従って増加した。溶接継手のDBTTは母材に比べ約150K高かった。得られた結果より、Nb-W EHPのW量は8wt%以下に調整する必要であることがわかった。

論文

Irradiation behavior of precipitation hardened Ni-base super-alloys with EHP grade under multi-ion irradiation

Kim, G.; 芝 清之; 沢井 友次; 井岡 郁夫; 木内 清

Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol.1298, p.61 - 66, 2011/04

FaCT事業では、約250dpaの照射量に耐える燃料被覆管の候補材として9Cr系のODS鋼が選定されているが、粉末冶金に伴う製品の安定性や、再処理適合性の面での懸念も議論されている。本研究では、こういった懸念に対するバックアップ材料としての位置づけで、耐照射性とともに耐食性に優れる二種類($$gamma$$'析出型とG相析出型)の超高純度高Ni合金(EHP合金)を選定し、その開発を進めている。開発材の耐照射性を確認するために、高速炉での核変換反応に伴うHeやHの生成量を模擬した高崎量子応用研究所TIARAのイオン照射実験を実施した。その結果、400$$^{circ}$$C照射では$$gamma$$'析出型合金,G相析出型合金ともに照射硬化を示したが、G相析出型合金の方が照射硬化量は大きかった。また、550$$^{circ}$$C照射によるスエリングは両合金ともに良好であったが、特にG相析出型合金では大型のボイドが形成されず、極めて耐スエリング性が高いということが明らかになった。

論文

Application of extra high purity austenitic stainless steel to weld overlay

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 木内 清; 中山 準平*

Proceedings of 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18) (CD-ROM), 6 Pages, 2010/05

有害な不純物を100ppm未満に抑えた超高純度オーステナイトステンレス鋼(EHP合金)を開発した。EHP合金は、応力腐食割れ(SCC)の基点と考えられる粒界腐食に対して優れた抵抗性を有している。そこで、SCCを防止するためのオーバーレイ材料として、EHP合金の適応性を評価した。試験には、EHP合金の比較材として従来材を用いた。試験片は、各々の溶接金属部から加工した。粒界腐食試験は、1g/LのCr(VI)イオンを含む8規定の沸騰硝酸溶液中で行った。比較材は、EHP合金に比べ激しい粒界腐食が生じた。SCC感受性を評価するためのCBB試験を561K, 1000h,飽和酸素の高温水中で行った。比較材の割れと粒界腐食は、EHP合金に比べ発生数、サイズとも非常に大きかった。オーバーレイ材料として使用する場合でも、従来材に比べ、EHP合金は優れたSCC抵抗性があることが確認された。

論文

先進再処理機器用の超高純度(EHP)ステンレス鋼の開発

井岡 郁夫; 木内 清; 中山 準平*

まてりあ, 49(3), p.122 - 124, 2010/03

再処理施設においては、沸騰状態の濃硝酸を用い、酸化性の強い核分裂生成物(FP)などを含有するために極めて厳しい腐食環境になることが知られている。海外での腐食事例や国内で運転経験を経て、構造材には極低CのSUS304ULC鋼が開発された。先進再処理施設では、現行のものよりも多くのFP等を含有する使用済核燃料を扱うことが予測され、腐食環境はますます厳しいものになる。そのために、現行のSUS304ULC鋼に比べて、数倍以上の耐硝酸腐食性に優れる鋼材が必要となる。実機製造プロセスと材料の成分範囲を同時に考慮して、先進再処理機器用材料を目的とした、強酸化性環境で優れた耐食性を有する超高純度(EHP: Extra High Purity)ステンレス鋼を開発した。本報では、EHP合金の実用化の現状について紹介する。

論文

Correlation between intergranular corrosion and impurities of extra high purity austenitic stainless steels

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 本岡 隆文; 木内 清; 中山 準平*

Journal of Power and Energy Systems (Internet), 4(1), p.105 - 112, 2010/02

再処理施設の沸騰硝酸環境において、粒界腐食はオーステナイト・ステンレス鋼の重大な劣化事象である。粒界腐食の主要因は、結晶粒界への不純物元素の偏析が原因と考えられている。新たな複合溶製技術により、全有害不純物を100ppm以下に抑えた超高純度(EHP:Extra High Purity)オーステナイト・ステンレス鋼を開発した。C, P, S, B等の不純物元素を添加したEHP合金を作製して、粒界腐食と不純物元素量の相関性を調べた。得られた結果を重回帰分析し、粒界腐食に及ぼす不純物元素の影響度を示した。その結果、B, P, Si, C, Sの順に粒界腐食に大きな影響を与え、Mnの影響は少なかった。

論文

Influence of impurities on intergranular corrosion of extra high purity austenitic stainless steels

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 本岡 隆文; 木内 清; 中山 準平

Proceedings of 17th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-17) (CD-ROM), 5 Pages, 2009/06

再処理施設の沸騰硝酸環境において、粒界腐食はオーステナイトステンレス鋼の重大な劣化事象である。粒界腐食の主要因は、結晶粒界への不純物元素の偏析が原因と考えられている。新たな複合溶製技術により、全有害不純物を100ppm以下に抑えた超高純度(EHP: Extra High Purity)オーステナイトステンレス鋼を開発した。C, P, S, B等の不純物元素を添加したEHP合金(Fe-25Cr-20Ni-Ti)を作製して、粒界腐食と不純物元素量の相関性を調べた。不純物元素を添加しないEHP合金では粒界腐食は観察されなかったが、不純物添加EHP合金では粒界腐食を生じた。得られた結果の重回帰分析より、粒界腐食と不純物元素量の回帰式を求め、粒界腐食に及ぼす不純物元素の影響度を示した。

論文

革新的水冷却炉用燃料被覆管のための熱変形挙動評価試験法

石島 暖大; 井岡 郁夫; 木内 清; 金子 哲治*; 大久保 努; 山本 正弘

圧力技術, 47(1), p.12 - 17, 2009/01

次期軽水炉として研究開発が行われている革新的水冷却炉(FLWR)の燃料被覆管は、温度分布,構造荷重及び内圧が定常的に変化する環境に晒される。そこで、この燃料被覆管の耐久性を評価するため上記条件を同時に制御可能な熱変形挙動評価試験法を開発し、ジルカロイ-2に対して試験を行うとともに、試験条件を模擬した構造解析結果と比較することで試験法の妥当性を確認した。試験時間中の変形量は、内圧,外力,温度分布を与えることで変動し、実機の条件に極めて近いデータが得られることがわかった。また、弾性範囲内で計算した変形量の予測結果とも一致し、熱変形挙動評価試験法の妥当性が確認された。

論文

Intergranular corrosion for extra high purity austenitic stainless steel in boilng nitric acid with Cr(VI)

井岡 郁夫; 加藤 千明; 木内 清; 中山 準平

Journal of Power and Energy Systems (Internet), 3(1), p.31 - 37, 2009/00

オーステナイトステンレス鋼は、酸化剤を含む沸騰硝酸中で粒界腐食感受性が高まる。粒界腐食の主因は、結晶粒界での不純物の偏析と考えられている。有害不純物を100ppm以下に低減できる複合製錬技術を用いて、超高純度オーステナイトステンレス鋼(EHP合金)を開発した。開発したSUS310系EHP合金について、酸化剤を含む沸騰硝酸中での腐食特性を調べた。加工熱処理(SAR処理)したSUS310系EHP合金は、同じ不純物量の溶体化(ST)材に比べ優れた耐粒界腐食性を示した。フィッショントラック法により、ST材において粒界でのボロンの偏析が確認された。ボロンの粒界偏析が、粒界腐食の原因の一つであることが考えられる。また、ボロンを7ppm含むSUS310系EHP合金でも、提案したSAR処理により粒界腐食を抑制できることを示した。

論文

Susceptibility of intergranular corrosion for extra high purity austenitic stainless steel in nitric acid

井岡 郁夫; 加藤 千明; 木内 清; 中山 準平

Proceedings of 16th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-16) (CD-ROM), 5 Pages, 2008/05

オーステナイトステンレス鋼は、再処理プロセスにおける酸化剤を含む沸騰硝酸中で粒界腐食感受性が高まる。粒界腐食の主因は、結晶粒界での不純物の偏析と考えられている。有害不純物を100ppm以下に低減できる複合製錬技術を用いて、超高純度オーステナイトステンレス鋼(EHP合金)を開発した。開発したSUS310系EHP合金の酸化剤を含む沸騰硝酸中での腐食特性を調べ、優れた耐粒界腐食性を有することを確認した。また、フィッショントラック法により、粒界でのボロンの偏析が粒界腐食の要因の一つであることを明らかにした。ボロンを7ppm含むSUS310系EHP合金でも、提案した加工熱処理(SAR処理)により粒界腐食を抑制できることを示した。

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