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角田 淳弥; 柴田 大受; 藤田 一郎*; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 衛藤 基邦*; 小西 隆志*; 沢 和弘
Nuclear Engineering and Design, 271, p.314 - 317, 2014/05
被引用回数：14 パーセンタイル：69.02(Nuclear Science & Technology)本研究では、材料特性評価手法の開発及び重照射下でのIG-430の照射による特性変化を評価することを目的として、IG-430の弾性係数に及ぼす酸化及び緻密化の効果を調べた。また、X線CT画像に基づくIG-430の微細構造と材料特性の関係を調べた。その結果、緻密化した黒鉛の弾性係数は開気孔のみに依存すること及びX線CTを用いた材料特性評価が可能であることが分かった。しかし、高酸化度及び照射した材料を均質化法で評価する場合には、結晶粒中の閉気孔の数や形状を考慮する必要がある。
藤田 一郎*; 衛藤 基邦*; 大崎 弘貴; 柴田 大受; 角田 淳弥; 小西 隆志; 山地 雅俊; 國本 英治
JAEA-Research 2013-004, 20 Pages, 2013/07
JAEA-Research-2013-004.pdf:2.4MB
高温ガス炉や第四世代の超高温ガス炉(VHTR)の炉心構造物には黒鉛が使用される。黒鉛は高温において炉内の冷却材ヘリウムガス中の不純物や空気侵入事故時の酸素ガス等により酸化する恐れがある。このため、黒鉛の酸化特性及びそれに伴う機械的特性の変化を評価しておくことが重要である。本研究では、高温ガス炉(VHTRを含む)用の材料であるIG-110及びIG-430黒鉛の520-900
Cにおける空気酸化特性及び酸化に伴う圧縮強度の変化について調べ、以下の結論を得た。(1)IG-430の酸化速度はIG-110の半分以下であるが、活性化エネルギーはほぼ同じ176kJ/molである。(2)酸化による密度分布と圧縮強度の変化には相関があり、同一の酸化重量変化においては、均一酸化が生じる600C以下で強度が最も小さくなる。(3)酸化の進行過程においては、黒鉛試験片内のバインダー由来の結晶性の悪い部分から優先的に酸化が進行する。そのため、酸化消耗については、ガス化以外に、コークス粒子が脱離する影響も考慮する必要がある。
角田 淳弥; 柴田 大受; 藤田 一郎*; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 衛藤 基邦*; 小西 隆志*; 沢 和弘
Proceedings of 6th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2012) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2012/10
本研究では、材料特性評価手法の開発及び重照射下でのIG-430の照射による特性変化を評価することを目的として、IG-430の弾性係数に及ぼす酸化及び緻密化の効果を調べた。また、X線CT画像に基づくIG-430の微細構造と材料特性の関係を調べた。その結果、緻密化した黒鉛の弾性係数は開気孔のみに依存すること及びX線CTを用いた材料特性評価が可能であることがわかった。しかし、高酸化度及び照射した材料を均質化法で評価する場合には、結晶粒中の閉気孔の数や形状を考慮する必要がある。
角田 淳弥; 柴田 大受; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 小西 隆志*; 沢 和弘
IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 18(16), p.162012_1 - 162012_4, 2011/09
被引用回数：1 パーセンタイル：50.35(Materials Science, Ceramics)炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)は、その強度及び耐熱性が優れていることからVHTR制御棒要素の候補材の一つである。2次元C/Cコンポジットの特性評価モデルの開発は、C/Cコンポジット製制御棒の設計において最も重要な課題の一つである。2次元C/Cコンポジットの特性は、繊維/マトリックス等の微細構造に強く依存するので、その微細構造から特性を評価することが可能であると考えられる。本研究では、2次元C/Cコンポジットの微細構造をもとにした特性予測開発モデルを開発することを目的として、X線CT像を用いて気孔分布を調べ、微細構造に基づくモデルを開発した。また、圧縮強度を測定するとともにモデルを用いて評価した。その結果、X線CT像から2次元C/Cコンポジットの気孔分布を視覚的に確認し、その容積や形状を評価することができた。また、本モデルを用いて2次元C/Cコンポジットの応力分布傾向を摸擬することが有用であることを示した。しかしながら、正確に応力の大きさを評価するためには、2次元C/Cコンポジットの特性評価及び適切なメッシュの設定が必要である。
角田 淳弥; 藤田 一郎; 柴田 大受; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治*; 沢 和弘; Kim, W. J.*; Park, J. Y.*
IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 18(16), p.162010_1 - 162010_4, 2011/09
被引用回数：1 パーセンタイル：50.35(Materials Science, Ceramics)炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)は、その強度及び耐熱性が優れていることからVHTR制御棒要素の候補材の一つである。C/Cコンポジットの亀裂進展は複雑なので、その破壊挙動はC/Cコンポジット製制御棒の設計において最も重要な課題の一つである。本研究では、炭素繊維とマトリックスの層構造である2次元C/Cコンポジットについて、モードII破壊特性を評価するため、酸化させた端面切欠き試験片を用いて曲げ試験を実施した。その結果、層間破壊靱性値は酸化率が大きくなるにつれて減少した。これは、破壊靱性がマトリックスの酸化によって減少したことによるもので、その減少率はマトリックスのタイプに依存することがわかった。また、亀裂は繊維束間で発生し、繊維を断裂させることなく繊維束間に沿って成長することがわかった。繊維とマトリックス間で発生した亀裂は、繊維束間の層間ボイドに集まり、その後マトリックスを通って成長すると考えられる。
柴田 大受; 國本 英治*; 衛藤 基邦*; 塩沢 周策; 沢 和弘; 奥 達雄*; 丸山 忠司*
Journal of Nuclear Science and Technology, 47(7), p.591 - 598, 2010/07
被引用回数：14 パーセンタイル：65.92(Nuclear Science & Technology)超高温ガス炉(VHTR)の炉内には、黒鉛構造物が用いられる。著者らは、HTGRやVHTRの黒鉛構造物についての技術的検討を行い、日本原子力学会「高温ガス炉黒鉛構造物規格化のための調査検討」特別専門委員会での議論を経て、黒鉛構造物の規格原案として取りまとめた。その中で、黒鉛構造物の設計に用いるIG-110黒鉛の寸法変化を含む照射特性変化に関して、H-451黒鉛,ATR-2E黒鉛の照射データを活用し、高速中性子照射量6
10
n/m
(E
0.1MeV)までの範囲で、IG-110黒鉛の既存の照射データの内外挿により評価曲線を導出することに成功した。本研究では、照射寸法変化データの2次式の内外挿方法の有効性について、3次式との比較検討を行った。その結果、現時点で利用可能なIG-110黒鉛については、提案した2次式による内外挿方法が妥当であることを明らかにした。
角田 淳弥; 柴田 大受; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 小西 隆志*; 沢 和弘
Journal of Nuclear Science and Technology, 47(4), p.411 - 420, 2010/04
被引用回数：4 パーセンタイル：29.31(Nuclear Science & Technology)2次元炭素繊維強化炭素複合材料(2D-C/Cコンポジット)は、高温下でも高い強度を維持するなど優れた機械的・熱的特性を有しており、超高温ガス炉(VHTR)の炉内構造物、例えば制御棒要素等の候補材の一つである。VHTRの炉内構造物として適用するうえで、2D-C/Cコンポジットの異方性がその特性に与える影響を明らかにしておくことが重要である。特に、2D-C/Cコンポジットの熱特性はその微細構造に強く依存するため、特性変化と微細構造変化の関係を明らかにするためには内部の微細構造を調べる必要がある。本研究では、X線トモグラフィーを用いて酸化した2D-C/Cコンポジットの層間ボイドやトランスバースクラックを明瞭に観察し、酸化した2D-C/Cコンポジットの熱伝導率変化及び熱膨張率変化と酸化率の関係が、繊維の向きごとに経験式を用いて表すことができることを明らかにして、異方性による特性の違いが黒鉛の結晶構造の向きと2D-C/Cコンポジットの微細構造の変化により説明できることを示した。
柴田 大受; 角田 淳弥; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治*; 沢 和弘; Kim, W. J.*; Jung, C. H.*; Park, J. Y.*
日本機械学会論文集,A, 76(764), p.383 - 385, 2010/04
日本原子力研究開発機構では、1000C近い高温のガスを炉外に取り出すことができる超高温ガス炉(VHTR)の研究開発を進めており、高効率発電や水素製造への利用が可能である。VHTRの炉内構造物には、金属に代わる耐熱性に優れた耐熱セラミックス複合材料を開発することが重要であり、炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材料)は候補材料の一つであるが、炉内構造物への応用のためには、その破壊挙動を明らかにしておく必要がある。本研究では、二次元(2D-)C/C複合材料についてSENB試験片により破壊特性を評価し、以下の結果を得た。(1)3つの銘柄の2D-C/C複合材料について、金属材料の評価式を適用して応力拡大係数を評価することを試み、今回の試験体系で材料ごとの破壊特性を評価することができる見通しを得た。(2)荷重-開口変位量曲線において、き裂の進展だけではなく層間はく離の効果が含まれていることを確認した。今後、定量評価を行う予定である。
柴田 大受; 衛藤 基邦*; 國本 英治*; 塩沢 周策; 沢 和弘; 奥 達雄*; 丸山 忠司*
JAEA-Research 2009-042, 119 Pages, 2010/01
JAEA-Research-2009-042.pdf:26.28MB
高温工学試験研究炉(HTTR)の黒鉛構造物の設計にあたっては日本原子力研究開発機構で独自に定めた黒鉛構造設計方針等が適用されたが、実用高温ガス炉のための標準化した規格体系は整備されていない。そこで著者らは、黒鉛構造物の規格化のために必要な技術的課題を検討し、資料として取りまとめた。その内容は日本原子力学会「高温ガス炉黒鉛構造物規格化のための調査検討」特別専門委員会において議論され、高温ガス炉黒鉛構造物規格原案として取りまとめられた。本規格原案は、黒鉛構造物の安全機能と交換性の観点から、黒鉛構造物を3種類のクラス(クラスA, B及びC)とし、それぞれのクラスの構造物について、設計規格,材料・製品規格,供用期間中検査・維持基準について定めた世界で初めて高温ガス炉黒鉛構造物の規格の考え方を提示したものである。
角田 淳弥; 柴田 大受; 國本 英治; Hall, G.*; Marsden, B. J.*; 沢 和弘
Securing the Safe Performance of Graphite Reactor Cores, p.163 - 170, 2009/12
超高温ガス炉の炉内構造物材料の候補であるIG-110黒鉛の微細構造変化による特性評価モデルを開発するため、現在IG-110黒鉛の特性変化と微細構造変化の関係について検討を進めている。本研究では、IG-110黒鉛の微細構造を酸化により変化させ、電気抵抗測定によりその変化を確認し、これまで装置の解像度の制限からその適用が難しいと考えられていたX線トモグラフィーのIG-110黒鉛への適用性について検討した。その結果、以下結論を得た。(1)IG-110黒鉛試験片は空気中500Cの条件化で均一に酸化されていることを確認し、IG-110黒鉛の酸化度(気孔率)と電気伝導度の関係式を得た。(2)高分解能3次元X線トモグラフィーを用いて、IG-110黒鉛の微細構造変化を描写できることを確認し、本手法を用いて照射したIG-110黒鉛の特性変化を予測できる見通しを得た。
柴田 大受; 角田 淳弥; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治; 沢 和弘
Ceramics in Nuclear Applications, Vol.30, Issue 10, p.19 - 32, 2009/11
日本原子力研究開発機構(JAEA)では、超高温ガス炉(VHTR)の研究開発を進めている。VHTRの炉内構造物は高温工学試験研究炉(HTTR)よりも厳しい条件で使用されるため、耐熱性に優れたセラミックス複合材料の開発が重要である。C/C複合材料及びSiC/SiC複合材料は、これまでの金属材料製の制御棒に代わる有力な候補材料である。JAEAはこれら複合材料の制御棒への応用について、(1)データベース確立、(2)設計、(3)HTTRにおける実証、の流れに沿って研究開発を進めている。本論文は、これらの研究開発計画について述べたものであり、成果の一つとして、黒鉛化処理を施したC/C複合材料については、黒鉛と同様の照射挙動であり、これまでに蓄積した黒鉛の照射データベースが利用できることを示した。また、HTTRでは大型構造物の照射試験が可能であり、複合材料製の制御棒開発の最終段階で必要となる実証試験を行うことができる。
國本 英治; 柴田 大受; 島崎 洋祐; 衛藤 基邦*; 塩沢 周策; 沢 和弘; 丸山 忠司*; 奥 達雄*
JAEA-Research 2009-008, 28 Pages, 2009/06
JAEA-Research-2009-008.pdf:4.6MB
第4世代原子力システムの有力な候補の一つとして、超高温ガス炉(VHTR)が世界的に注目され研究開発が進められている。我が国では、日本原子力研究開発機構の試験研究炉である高温工学試験研究炉(HTTR)が運転中であり、高温ガス炉の実用化に向けた研究開発が進められている。高温ガス炉の炉内には黒鉛構造物が使用されるが、実用炉における使用条件はHTTRに比べてはるかに厳しいため、十分な照射データベースが整備されていない場合には照射データの拡充が必要である。一方、既存の照射データを活用し、合理的な内外挿方法を用いれば必要なデータベースを確保することができる。本報告書はHTTRで実績があり、VHTR用の主要銘柄であるIG-110黒鉛を対象に、寸法,熱伝導率,縦弾性係数,強度,熱膨張係数の照射効果と定常照射クリープ係数について、合理的な内外挿方法を示したものである。内外挿にあたっては、他銘柄の黒鉛の照射データを活用し、汎用的な方法を導出した。その結果、世界に先駆けてIG-110黒鉛の照射特性をVHTRの使用条件まで拡張することができ、設計に必要な図表を得ることができた。
高木 俊*; 牧田 太陽*; 國本 英治; 柴田 大受; 沢 和弘
JAEA-Technology 2008-094, 22 Pages, 2009/03
JAEA-Technology-2008-094.pdf:5.49MB
高温ガス炉の性能及び安全性を向上させる手段として、金属に替わるより高温で使用できる耐熱性材料の炉内構造物への使用が望まれている。高温に耐え得る材料の一つとして、炭素繊維強化型炭素複合材料(C/Cコンポジット)が有望な材料であり、超高温ガス炉(VHTR)においても制御棒等炉内構造物へのC/Cコンポジットの採用が検討されている。本報告は、材料試験炉(JMTR)において03M-47ASキャプセルで照射されたC/Cコンポジットの照射による特性変化として照射後試験で実測した照射誘起寸法変化,熱膨張率,弾性率についてまとめたものである。
柴田 大受; 角田 淳弥; 國本 英治; 沢 和弘
Proceedings of 2008 International Conference on Carbon (Carbon 2008) (CD-ROM), 5 Pages, 2008/07
超高温ガス炉(VHTR)は原子炉の外に950C程度の高温のヘリウムガスを取り出すことのできる次世代の高温ガス炉であり、この熱を発電や水素製造の熱源に利用することができる。原子炉の運転温度をあげ性能を向上させるには、炉内の金属材料にかわるセラミックス複合材料を開発することが重要である。本研究では、2次元(2D-)C/C複合材の一つであるCX-270GのVHTRへの適用について、寸法や熱伝導率に与える照射効果について検討した。照射試験はJMTRで600Cの温度で8.210
n/m(E1.0MeV), 1.2dpa相当の照射量まで実施した。平織のCX-270Gの照射寸法変化についても、ランダムに繊維を積層した2D-C/C複合材と同様の傾向を示すことが明らかとなった。また、中性子照射によりCX-270Gの熱伝導率は低下したが、測定温度1200C以上ではある程度の回復傾向が見られた。これは、アニーリングによる繊維方向の欠陥の回復が影響していると考えられる。
角田 淳弥; 大崎 弘貴*; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 小西 隆志*
no journal, ,
黒鉛材料は、黒鉛減速ヘリウムガス冷却高温ガス炉(HTGR)の炉内構造物使用される。高温ガス炉は、高温のヘリウムガスを取り出すことが可能で、固有の安全性を有する魅力的な原子炉である。高温ガス炉の炉心を支える炉心支持黒鉛構造物は、高温ガス炉で最も苛酷事象である空気(水)侵入事故において、高い安全性を確保する観点から、炉心の形状を維持し、炉心の冷却を可能にするため、耐酸化性が要求される。そのため、耐酸化性能に優れた黒鉛を開発することにより、高温ガス炉の安全性をさらに高めることが可能になる。ボロン添加黒鉛は、耐酸化性を向上させた黒鉛の候補材料であり、これまで酸化時にB
CからB
O
に変化し、酸化の進行を防ぐことが報告されているが、ボロン添加黒鉛を炉心支持黒鉛構造物に使用するためには、その酸化メカニズムを理解する必要がある。本研究では、ボロン添加黒鉛(GB-210)について、酸化試験, 曲げ強度及び表面観察の結果から、酸化のメカニズムを定性的に評価した結果を報告する。
角田 淳弥; 柴田 大受; 藤田 一郎; 國本 英治; 山地 雅俊; 衛藤 基邦*; 小西 隆志; 沢 和弘
no journal, ,
高温のヘリウムガスを炉外に取り出すことができ、固有の安全性を有する超高温ガス炉(VHTR)は、第4世代原子力システムの有力な候補である。VHTRの炉内構造物には黒鉛が用いられるため、空気浸入事故においては黒鉛が十分な耐酸化性を有していることが重要である。HTTRで用いられているIG-110黒鉛と、新たなIG-430黒鉛は、高い強度と耐酸化性を有しており、VHTRの炉内黒鉛構造物に用いる有力な候補材である。X線CT法は、黒鉛の微細構造(結晶粒,気孔)を測定することができるため、黒鉛の酸化による微細構造の変化を調べることで、酸化損傷を評価することが可能である。本研究では、IG-110黒鉛及びIG-430黒鉛の酸化速度を測定し、酸化後の黒鉛についてX線CT法を用いて黒鉛の微細構造を観察するとともに、ヤング率,熱膨張係数データを取得した。その結果、IG-430黒鉛がより優れた耐酸化性を有することを示すとともに、X線CT法が黒鉛の材料特性の評価に有効であり今後照射特性を評価するうえで有効であることを明らかにした。
國本 英治; 小西 隆志; 衛藤 基邦*; 藤田 一郎; 柴田 大受; 沢 和弘; 加藤 雄大*
no journal, ,
IG-110黒鉛は微粒等方性で高純度の原子力用黒鉛であり、HTTR(日本)やHTR-10(中国)などの炉内構造物に使用されている。日本では高温ガス炉黒鉛構造物の規格原案が策定され、VHTRの候補材としてIG-110の各種物性や照射挙動が示されている。しかし、実用炉の黒鉛構造物はHTTRよりも厳しい条件で使用されるため、重照射領域における黒鉛の照射挙動を明らかにする必要がある。規格原案では合理的な内・外挿方法によってIG-110黒鉛の照射挙動を説明しているが、実際に照射試験を行うことでその方法の妥当性を確認し、さらに内外挿方法の精度を向上させる必要がある。本研究では、規格原案に基づき高温ガス炉黒鉛構造物の設計を行ううえで必要となる、IG-110黒鉛の設計用データの拡張計画について示す。さらに、次期の原子力用黒鉛として有望な高性能IG-430黒鉛について、その特性を示す。
國本 英治; 小西 隆志; 衛藤 基邦*; 角田 淳弥; 柴田 大受; 沢 和弘; 黒田 雅俊*; 加藤 雄大*
no journal, ,
黒鉛の強度は、かさ密度や電気抵抗率等の特性と比較して試験片間のばらつきが大きいため、より多くの試験片を用いて評価する必要がある。現在IG-110黒鉛とIG-430黒鉛の高温・重照射試験を実施する計画であるが、照射キャプセルの容積には限りがあるため、装荷する試験片をできるだけ小さくする必要がある。本研究では、微粒等方性黒鉛であるIG-110黒鉛とIG-430黒鉛の照射試験を実施するにあたり、圧縮試験片を小型化することによる妥当性を評価した。その結果、ASTMで推奨されている圧縮試験片の寸法よりも小さい試験片を用いた場合でも、同等な圧縮強さを得ることができることが明らかとなった。微粒等方性黒鉛は、一般的に物理特性のばらつきが小さいが、本研究においても微粒等方性黒鉛の圧縮強さは、予想通りばらつきが小さいことを確認した。これは、高温ガス炉の材料として、設計上の安全裕度を高くできることを示している。
柴田 大受; 角田 淳弥; 植田 祥平; 大崎 弘貴; 國本 英治; 衛藤 基邦*; 小西 隆志
no journal, ,
原子力機構では、公衆・社会・環境に有害な影響を与えない本質的に安全な高温ガス炉の研究開発を進めている。高温ガス炉の炉内に使用される黒鉛にとって、照射クリープ特性の評価は特に重要な課題であり、微粒等方性黒鉛(IG-110及びIG-430)の照射クリープ特性を評価した。他の黒鉛の照射クリープデータを活用して整備した予測評価式が、IG-110の照射クリープ特性を表すうえで有効であることを明らかにし、またIG-430の照射クリープ特性も表現できる見込みを得た。
柴田 大受; 國本 英治; 角田 淳弥; 山地 雅俊*; 小西 隆志*; 沢 和弘
no journal, ,
第4世代原子力システムにおける超高温ガス炉(VHTR)は炉外に約950Cの高温のヘリウムガスを供給できる高温ガス炉である。日本の高温工学試験研究炉(HTTR)の炉内構造物には、微粒等方性のIG-110黒鉛(東洋炭素製)が使われており、高温ガス炉への応用が実証された黒鉛であり、VHTRの炉内黒鉛の主要な候補である。HTTRのための日本の黒鉛設計方針等ではIG-110黒鉛を炉内構造物に応用するうえでの基準が示されており、特性データ,酸化効果,照射効果等が含まれている。また、IG-110黒鉛の構造物試験の結果を反映している。したがって、IG-110黒鉛に対する黒鉛設計方針等は、必要な修正を行うことでVHTRの炉内黒鉛構造物へ適用可能であり、そのためにはVHTR条件におけるIG-110黒鉛の設計データの確立が重要な課題の一つである。VHTRの黒鉛構造物はHTTRよりも高照射量にさらされるため、高温・重照射における照射データの取得が重要であるが、照射データの内外挿方法の開発により、設計データの構築に役立てることが可能である。本研究は、IG-110黒鉛のVHTR炉内構造物への応用のための研究開発課題について取りまとめた結果を発表する。
