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報告書

酸化物分散強化型フェライト鋼の硝酸溶解特性評価,2; 溶解工程の硝酸濃度等に対応した溶解量の検討

井上 賢紀; 須藤 光雄; 小山 真一; 大塚 智史; 皆藤 威二

JAEA-Research 2013-009, 78 Pages, 2013/10

JAEA-Research-2013-009.pdf:3.75MB

高速増殖炉サイクル実用化段階の燃料被覆管の基準材料であるマルテンサイト系酸化物分散強化型フェライト鋼(9Cr-ODS鋼)の再処理システム適合性評価の一環として、溶解工程の硝酸濃度等に対応した溶解量を評価した。溶解液のなかの燃料被覆管成分の高濃度化による個別プロセスへの影響の観点からは最大値を示す最高温度炉心燃料集合体単体の溶解量、高レベル放射性廃棄物(ガラス固化体)の発生量への影響の観点からはすべての炉心燃料集合体を積算した溶解量を算出した。溶解量の評価にあたっては、過去の高速炉における燃料ピン照射試験、ナトリウムループ試験等の結果をレビューし、炉内使用に伴う外面腐食,内面腐食等が硝酸溶解特性に及ぼす影響を考慮した評価方法を検討した。炉内使用の影響による溶解量の増分を評価したところ、流動ナトリウム環境特有の質量移行現象の発生条件に大きく依存することがわかった。

論文

Microstructure and high-temperature strength of high Cr ODS tempered martensitic steels

大塚 智史; 皆藤 威二; 丹野 敬嗣; 矢野 康英; 小山 真一; 田中 健哉

Journal of Nuclear Materials, 442(1-3), p.S89 - S94, 2013/09

 被引用回数:9 パーセンタイル:25.82(Materials Science, Multidisciplinary)

11-12CrODSマルテンサイト鋼の試作試験を実施した。試作材について、高温XRD, EPMA及び金相観察に基づくフェライト/マルテンサイト2相組織の定量評価を実施した。Crの増量による残留$$alpha$$フェライト相の過度な形成は、変態の駆動力評価に基づいて化学組成を調整することにより抑制できることがわかった。適度な残留$$alpha$$フェライトを含む11CrODSマルテンサイト鋼の製造に成功した。製造まま材の機械的特性評価を実施した結果、9Cr-ODS鋼と同等の高温クリープ強度を有していることがわかった。引張特性については、延性は9Cr-ODS鋼と同等であるが、0.2%耐力は低めとなった。

論文

Evaluation of mechanical properties and nano-meso structures of 9-11%Cr ODS steels

丹野 敬嗣; 大塚 智史; 矢野 康英; 皆藤 威二; 大場 洋次郎*; 大沼 正人*; 小山 真一; 田中 健哉

Journal of Nuclear Materials, 440(1-3), p.568 - 574, 2013/09

 被引用回数:7 パーセンタイル:34.56(Materials Science, Multidisciplinary)

本研究では9Cr及び11Cr-ODS焼戻しマルテンサイト鋼の強度試験と微細組織評価を行い、高温強度向上の観点から、11Cr-ODS鋼の化学組成について検討した。11Cr-ODS鋼の残留$$alpha$$フェライト割合は状態図に基づいた組成選択を行うことで、優れた高温強度を有する9Cr-ODS鋼と同レベルに制御することができた。引張強度はWを2.0wt%から1.4wt%に減量したことで低下した。一方、973Kにおけるクリープ強度はW減量によって低下しなかった。引張強度とクリープ強度はナノサイズの酸化物分散粒子の数密度とともに増加した。X線小角散乱解析の結果より、チタンと過剰酸素の濃度がナノ酸化物粒子の分散状態を改善する重要なパラメータであることを示した。

論文

Investigation of the cause of peculiar irradiation behavior of 9Cr-ODS steel in BOR-60 irradiation tests

大塚 智史; 皆藤 威二; 矢野 康英; 山下 真一郎; 小川 竜一郎; 上羽 智之; 小山 真一; 田中 健哉

Journal of Nuclear Science and Technology, 50(5), p.470 - 480, 2013/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:62.81(Nuclear Science & Technology)

BOR-60において9Cr-ODS鋼被覆管燃料ピンを含む4体の集合体の照射試験を実施した。4体の中で最高の燃焼度(ピーク: 11.9at%)及び最高照射量(ピーク: 51dpa)を達成した試験集合体は燃料破損等の問題なく、無事照射試験を完了することができた。これにより9Cr-ODS鋼被覆管としてのチャンピオンデータを取得することに成功した。一方、ピーク燃焼度10.5at%、ピーク照射量44dpaに達した試験集合体で9Cr-ODS鋼被覆管燃料ピンの破損が生じた。破損部近傍には特異な組織変化が生じていた。これら特異な照射挙動の原因究明を進めた結果、照射試験に供した9Cr-ODS鋼被覆管には超音波探傷検査で検知できなかった金属Cr介在物が存在し、これにBOR-60の高温照射が重畳したことが原因であることがわかった。

報告書

11Cr-フェライト/マルテンサイト鋼(PNC-FMS)ラッパ管材の物性値

矢野 康英; 皆藤 威二; 大塚 智史; 丹野 敬嗣; 上羽 智之; 小山 真一

JAEA-Data/Code 2012-022, 51 Pages, 2012/09

JAEA-Data-Code-2012-022.pdf:2.32MB

高速増殖炉では、経済性向上の観点から燃料の高燃焼度化が求められており、これに対応した炉心材料の開発が必要不可欠である。この高燃焼度達成のための炉心材料には、耐スエリング性能の観点からオーステナイト鋼の適用は難しく、被覆管材料としてはODSフェライト鋼、ラッパ管材料としては11Cr-フェライト/マルテンサイト鋼(PNC-FMS)を第一候補材料として開発を実施している。そこで、本研究では、PNC-FMSラッパ管材の材料強度基準に資することを目的として、PNC-FMSラッパ管材の材料物性値を測定し、設計用物性式と今後の測定方法の標準化を整備した。

論文

Oxide fuel fabrication technology development of the FaCT project, 5; Current status on 9Cr-ODS steel cladding development for high burn-up fast reactor fuel

大塚 智史; 皆藤 威二; 矢野 康英; 山下 真一郎; 小川 竜一郎; 上羽 智之; 小山 真一; 田中 健哉

Proceedings of International Conference on Toward and Over the Fukushima Daiichi Accident (GLOBAL 2011) (CD-ROM), 6 Pages, 2011/12

9Cr及び12Cr-ODS鋼被覆管の炉内健全性評価結果についてまとめた。9Cr及び12Cr-ODS鋼被覆管燃料ピンの照射試験を実施し、ピーク燃焼度11.9at%、ピーク照射量51dpaまでの照射を健全に完了し、ODS鋼被覆管燃料ピンとしてのチャンピオンデータを取得することができた。一方で、ピーク燃焼度10.5at%まで照射したもう一体の集合体において、12Cr-ODS鋼燃料ピンは健全に照射を完了したが、9Cr-ODS鋼燃料ピン1本の破損が生じた。破損部の組織調査を実施した結果、不定形の粗大析出物が形成した特異な組織変化が認められた。この9Cr-ODS鋼における燃料破損と特異な組織変化の原因究明を進めた結果、超音波探傷検査で検知できなかった金属Cr介在物が9Cr-ODS鋼被覆管中に存在し、これに高温照射が重畳したことが原因であることが判明した。次のステージ(2011-2013)では、製造プロセス中で単体金属元素粉末の取り扱いを行わない完全プレアロイ法による均質被覆管の製造技術開発を行うこととした。

論文

水銀キャビテーションにおける気泡挙動

直江 崇; 二川 正敏; 小山 智史*; 粉川 広行

実験力学, 6(3), p.301 - 307, 2006/09

核破砕中性子源水銀ターゲットに高強度のパルス陽子線が入射されると、熱衝撃により圧力波がターゲット容器内の水銀中に発生する。その伝播過程で容器壁と水銀の界面において負圧が生じ、キャビテーションが発生する。このキャビテーション気泡の崩壊により容器内壁は壊食損傷を受ける。本報では、液体水銀中の急激な圧力変動に伴う微小気泡の成長・崩壊挙動を把握し、損傷形成のメカニズムを明らかにすることを目的として、まずバブルダイナミックスに関する Rayleigh-Plessetの式を援用した解析を行い、水銀中の単一気泡の成長挙動と圧力変動との相関を評価した。さらに、電磁式衝撃圧負荷試験装置を用いた衝撃圧負荷試験における水銀中の気泡挙動を高速度ビデオカメラを用いて観察し、解析結果と比較した。その結果、気泡サイズ及び寿命は負荷圧力変動、特に負圧の飽和時間に依存すること,15kHz以上の高周波数成分はバブル崩壊により励起されることを示した。

論文

Development of aluminum (Al5083)-clad ternary Ag-In-Cd alloy for JSNS decoupled moderator

勅使河原 誠; 原田 正英; 斎藤 滋; 及川 健一; 前川 藤夫; 二川 正敏; 菊地 賢司; 加藤 崇; 池田 裕二郎; 直江 崇*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 356(1-3), p.300 - 307, 2006/09

 被引用回数:7 パーセンタイル:48.06(Materials Science, Multidisciplinary)

現在、J-PARCで建設が進められている核破砕中性子源において、パルス特性を向上させるために熱中性子吸収材としてAg-In-Cd合金が採用された。一方、熱除去及び冷却水による浸食の観点からAg-In-Cd合金をAl合金(Al5083)で被覆する必要があり、Ag-In-Cd合金とAl5083と接合に関する開発が急務になった。そこで、HIP(熱間等方圧延)を用いてAl5083と3元系Ag-In-Cd合金との接合に関する試験を行った。小試験片($$phi$$20mm)において良い接合条件が見つかり、接合領域にAlAg$$_{2}$$生成による硬い相の形成が見られるものの、必要とされる機械的強度(20MPa)より大きい結果が得られた。実機を模擬した大型試験片(200$$times$$200$$times$$30mm$$^{3}$$)においても、接合が成功し、小試験片と比較して機械的強度が多少落ちるが必要とする強度を満足した結果が得られた。

論文

気泡崩壊誘起音響振動を用いた壊食損傷評価

直江 崇*; 二川 正敏; 小山 智史*; 粉川 広行; 池田 裕二郎

実験力学, 5(3), p.280 - 285, 2005/09

現在、開発が進められているJ-PARCの物質生命科学研究施設では、核破砕中性子源水銀ターゲットから生成される中性子を利用した最先端の研究が行われる。大強度の陽子線入射に伴う熱衝撃により、水銀を充填するターゲット容器と水銀との界面では、急激な圧力変動によりキャビテーションが発生する。このキャビテーションによりターゲット容器内壁は壊食損傷を受ける。この壊食損傷は、薄肉構造であるターゲット容器の交換寿命を決定する因子となる。これまでに、電磁式衝撃圧負荷試験装置を用いて陽子線入射時の圧力変動を想定したキャビテーション壊食試験を行い、水銀中での衝撃壊食挙動を評価した。ここでは、キャビテーションにより生じる微小気泡の崩壊に起因する音響振動を計測し、損傷形態と比較した。その結果、音響振動から損傷の程度を評価するのに有用な情報が得られることを確認し、音響振動によりターゲット容器の健全性を診断できる可能性を示した。

論文

液/固体金属界面の衝撃壊食に及ぼす表面硬化の影響

小山 智史*; 二川 正敏; 粉川 広行; 石倉 修一*

日本機械学会関東支部茨城講演会(2002)講演論文集, p.5 - 6, 2002/09

水銀ターゲットにおけるピッチング損傷に対する抑制効果として、表面硬化処理技術がある。コーチング(CrN, TiN)及び浸炭法による表面硬化処理(Kolsterising)を施した試料に対して、Split-Hopkinson-Pressure-Bar(SHPB)衝撃原理に基づく平面歪み波入射実験を行い、硬化処理による抑制効果を調べた。その結果、材料表面硬度とピッチング損傷との相関は認められたが、硬化層厚さを適度に選択することが重要であることがわかった。そのためには、ピット深さを定量的に評価し、より効果的な硬化層厚さを決定することが重要である。

口頭

「常陽」照射した酸化物分散強化型(ODS)フェライト鋼被覆管の照射挙動評価

山下 真一郎; 矢野 康英; 大塚 智史; 皆藤 威二; 赤坂 尚昭; 井上 賢紀; 吉武 庸光; 西野入 賢治; 小山 真一; 田中 健哉

no journal, , 

原子力機構では、実用化段階の高速炉用燃料被覆管として高温強度特性と耐スエリング性を具備する酸化物分散強化型(以下、ODS)フェライト鋼の材料開発を行い、現在は「常陽」等を用いて実用化に必要な照射特性に関するデータ整備を進めている。本試験では、基本組成がFe-0.13C-9Cr-2W-0.20Ti-0.35Y$$_{2}$$O$$_{3}$$のマルテンサイト系ODS鋼とFe-0.03C-12Cr-2W-0.30Ti-0.23Y$$_{2}$$O$$_{3}$$のフェライト系ODS鋼の2種類を、高速実験炉「常陽」の材料照射リグ(SVIR, CMIR)を用いて、400$$sim$$750$$^{circ}$$Cの温度条件範囲で最大40.5 dpaまで中性子照射した。これらに対する照射挙動評価のために、金相組織観察,リング引張試験,硬さ測定,組織観察及び元素分析等の試験を実施した。引張試験結果からは、照射に伴い伸び特性が若干低下する傾向が示されたが、低温範囲で最も懸念されていた降伏応力の上昇と伸びの低下(いわゆる、照射硬化現象)は、本照射条件範囲においてほとんど生じていないことが明らかとなった。また、照射前後における微細組織観察から、照射前の複雑な組織状態は、いずれの照射後組織においても著しい組織変化を示すことなく、安定に存在していることが示された。

口頭

高速炉炉心材料の開発状況

矢野 康英; 大塚 智史; 皆藤 威二; 上羽 智之; 小山 真一; 田中 健哉

no journal, , 

Na高速炉炉心材料として求められる性能及び開発の目標を述べるとともに日本原子力研究開発機構で開発してきたODS鋼被覆管及びPNC-FMSラッパ管の開発状況等について報告する。

口頭

ODS鋼被覆管の照射後引張挙動

矢野 康英; 山下 真一郎; 大塚 智史; 皆藤 威二; 小山 真一; 田中 健哉

no journal, , 

高速実験炉「常陽」のCMIR-6で照射したODS鋼被覆管のリング引張特性に及ぼす照射効果に関して調査を行った。照射条件範囲は、693-1108Kと照射量16-33dpaであった。本照射条件範囲内ではODS鋼被覆管は、一般的な11Crフェライト/マルテンサイト鋼であるPNC-FMS被覆管と比較しても優れた引張特性を維持していることが明らかになった。

口頭

高Cr-ODSマルテンサイト鋼のクリープ強度とナノ/マクロ組織の評価

丹野 敬嗣; 大塚 智史; 皆藤 威二; 矢野 康英; 小山 真一; 田中 健哉; 大場 洋次郎*; 大沼 正人*

no journal, , 

高速炉の長寿命燃料被覆管の第一候補材料として、高温強度,耐照射性及び製造性に優れた9Cr-ODSマルテンサイト鋼の開発を進めている。9Cr-ODS鋼の優れた特性に加えて、優れた耐食性を付与する観点から、高Cr化を図った11Cr-ODSマルテンサイト鋼の開発及びその燃料被覆管としての適用性評価を進めている。本研究では11Cr-ODS鋼の組成や製造方法の最適化を図ることを目的として、試作試験とクリープ試験及びナノ/マクロ組織評価を行った。試作した11Cr-ODS鋼の単軸クリープ強度は9Cr-ODS鋼と同等以上であった。11Cr-ODS鋼で比較した場合、Ti添加量0.2wt%よりも0.3wt%の強度の方が高かった。酸化物分散粒子のサイズと数密度はTi添加量及び余剰酸素量に依存することがわかった。

口頭

高速炉燃料用ラッパ管開発,2; 拡管型中間パッド加工方法の検討

上羽 智之; 矢野 康英; 皆藤 威二; 根本 潤一*; 大塚 智史; 丹野 敬嗣; 小山 真一

no journal, , 

高速炉の燃料集合体は、炉心内で集合体相互の間隔を保つ目的から、ハンドリングヘッド,ラッパ管,エントランスノズルのそれぞれの六角形の各面にスペーサパッドが設けられている。ラッパ管に施す中間パッドには拡管型パッドが量産性の点で有利と考えられる。この拡管型中間パッドの加工技術開発を目的として、原型炉サイズのオーステナイト鋼(PNC316鋼)ラッパ管と実証炉に適用するフェライト鋼(PNC-FMS鋼)ラッパ管を用いたパッド加工の試作検討を行った。また、このパッド加工を模擬したFEM解析を行い、加工部の残留応力等を評価した。

口頭

高速炉燃料用ラッパ管開発,3; 電子ビーム溶接によるPNC-FMS/SUS316鋼異材溶接技術

矢野 康英; 皆藤 威二; 上羽 智之; 大塚 智史; 丹野 敬嗣; 小山 真一

no journal, , 

高燃焼度を達成するためのフェライト鋼ラッパ管には、SUS316鋼製ハンドリングヘッドとエントランスノズルとの異材溶接が必要となる。電子ビーム溶接を用いて、fillerを用いない場合と用いた場合の溶接部の組織評価と溶接後熱処理について検討を行った。

口頭

高速炉燃料用ラッパ管開発,1; 開発の現状

皆藤 威二; 矢野 康英; 上羽 智之; 大塚 智史; 丹野 敬嗣; 小山 真一

no journal, , 

実用化段階の高速炉では、経済性向上の観点から取出平均燃焼度約150GWd/tを目標としている。このため、原子力機構では耐照射特性に優れるフェライト鋼ラッパ管の開発を進めており、本発表では燃料集合体として適用するための加工技術等を含めて開発の現状を報告する。

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