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論文

SUS316ステンレス鋼の照射材-未照射材溶接における健全性評価

柴田 晃; 中村 夏紀; 二川 正敏; 前川 克廣*

材料試験技術, 62(1), p.35 - 40, 2017/01

日本原子力研究開発機構は照射誘起応力腐食割れ(IASCC)研究の一環として、材料試験炉内におけるステンレス鋼のき裂進展試験の実施を計画している。当該試験ではIASCCのしきい値(6$$times$$10$$^{25}$$n/m$$^{2}$$ ($$>$$1MeV))以上に予備照射が行われたSUS316鋼と未照射のSUS316鋼の溶接が必要となる。照射材-未照射材の溶接健全性を確認するために、原子炉内で照射下材料から試験片を作り、照射材-未照射材の溶接試験を実施し、その健全性評価を行った。

論文

球状圧子を用いた微小硬さ試験による原子炉燃料被覆管ジルカロイ4とM5のPWR環境下酸化皮膜の機械的特性評価

柴田 晃; 涌井 隆; 中村 夏紀; 二川 正敏; 前川 克廣*; 那珂 通裕

材料試験技術, 62(1), p.41 - 47, 2017/01

現在広く使用されている核燃料被覆管材料ジルカロイ4は、より耐食性のあるM5等のZr-Nb合金への置き換えが進められている。しかしながらZr-Nb合金のジルカロイ4に対する相対的に良好な耐食性の根源は未だ明らかになっていない。Zr-Nb合金の良好な耐食性の根源を明らかにするため、M5とジルカロイ4の酸化皮膜の評価を行った。球状圧子を用いた微小硬さ試験を行い、荷重-深さ曲線に対し有限要素解析を援用しカルマンフィルタを用いた逆解析から材料定数を同定する手法よりM5とジルカロイ4の酸化皮膜の力学的特性を求め、他の手法による観察結果と比較した。その結果、M5の酸化皮膜はジルカロイ4の酸化皮膜に比較すると延性的であることが判明した。

論文

Corrosion properties of Zircaloy-4 and M5 under simulated PWR water conditions

柴田 晃; 加藤 佳明; 田口 剛俊; 二川 正敏; 前川 克廣*

Nuclear Technology, 196(1), p.89 - 99, 2016/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:49.65(Nuclear Science & Technology)

ジルコニウム合金は中性子吸収断面積が小さく耐食性がよいことから、原子炉燃料被覆管の材料として広く用いられている。加圧水型原子炉(PWR)において原子炉燃料被覆材として、スズ、鉄、クロムを含むジルコニウム合金であるジルカロイ-4が使用されてきたがベルギー等ヨーロッパの原子炉では長寿命化が期待できるZr-Nb系合金M5等のNb添加新合金への移行が段階的に進められている。本研究はPWR条件下におけるジルカロイ-4とM5腐食特性の差異を明らかにするためPWR環境を模擬した水化学条件下で水素濃度をパラメータとする腐食試験を行った。これらの条件下においてジルカロイ-4とM5の酸化皮膜観察、重量増加測定および電気化学インピーダンス測定試験を行い、その腐食特性を比較した。これらの結果からPWR環境において、M5はジルカロイ-4に比べて水素濃度による酸化皮膜成長の影響が少なく安定した皮膜を有することから炉内の局所的な水素濃度の不均一に対して影響されにくくPWRの燃料被覆材としての適性が優れていることを示した。また、電気化学インピーダンス法によりよりジルカロイ-4とM5の酸化反応に構造的な有意差が存在することを示した。

論文

Mechanical property change in the region of very high-cycle fatigue

Xiong, Z.; 直江 崇; Wan, T.; 二川 正敏; 前川 克廣*

Procedia Engineering, 101, p.552 - 560, 2015/03

BB2014-3103.pdf:0.47MB

 被引用回数:1 パーセンタイル:62.27

核破砕中性子源の構造材料として用いられるオーステナイト系ステンレス鋼SUS316Lの超高サイクル疲労挙動について、ひずみ速度10$$^2$$s$$^{-1}$$の超音波疲労試験により調べた。超高サイクルの繰返し応力負荷に伴う硬化及び軟化を調べるために、溶体化処理材及び冷間圧延材に対して、疲労試験後の試験片断面の硬度分布、引張り試験による残強度測定、非線形超音波による転位密度変化の計測を実施した。その結果、溶体化処理材では、10$$^7$$回以上の超高サイクル領域で繰返し硬化が観測された。冷間圧延材では、10$$^7$$回以下では、繰返し軟化が観測された一方、10$$^7$$回以上では、繰返し硬化が観測された。

論文

Damage evaluation by impulsive response in structure filled with liquid

Wan, T.; 直江 崇; 涌井 隆; 二川 正敏; 前川 克廣*

Applied Mechanics and Materials, 566, p.629 - 636, 2014/06

MW級のパルス核破砕中性子源の水銀ターゲット容器では、陽子線入射による熱衝撃により水銀中に圧力波が発生する。この圧力波によってターゲット容器に衝撃的な振動が励起されると共に、内壁には固液界面で生じるキャビテーションによる損傷が形成される。本研究では、狭隘な水銀(厚さ2mm)を隔てた2重壁構造を有する水銀ターゲット容器について、内壁のキャビテーション損傷あるいは疲労破壊を振動の計測により外側から非破壊的に診断する手法について検討した。内壁の損傷とターゲット容器の振動との相関について、1, 5, 10, 20, 40mmの貫通穴によって損傷を模擬した数値解析により系統的に調べた。損傷の差異による容器の振動応答の変化を定量的に評価するために、振動応答波形に対して、ウェーブレット変換と統計処理を用いた波形解析手法を考案した。さらに、2重壁構造を模擬した水銀を充填した容器に対する圧力波負荷試験での振動速度をレーザーにより計測し、本手法の適用性を検証した。その結果、振動波形は、損傷を模擬した穴の直径に依存して変化すること、直径10mm以上であれば、明確な振動の差として損傷を検出できることを明らかにした。

論文

Very high cycle fatigue in pulsed high power spallation neutron source

Xiong, Z.*; 二川 正敏; 直江 崇; 前川 克廣*

Advanced Materials Research, 891-892, p.536 - 541, 2014/03

 被引用回数:7 パーセンタイル:94.73

核破砕中性子源水銀ターゲットの容器構造材として用いられているオーステナイト系ステンレス鋼SUS316Lの陽子及び中性子照射環境における超高サイクルの疲労強度について調べるために、SUS316L及び照射による硬化を模擬したSUS316Lの冷間圧延材を用いて、水銀ターゲット容器で生じるひずみ速度10$$^2$$S$$^{-1}$$に相当する高ひずみ速度での負荷が可能である超音波疲労試験を実施した。その結果、通常の疲労試験(10$$^{-3}sim$$10s$$^{-1}$$)と比較して、ひずみ速度効果により疲労強度が2割程度上昇すること、疲労過程で発生する複数の閉じた微小亀裂の周囲で生じる熱弾性効果により、破断直前に急激な温度上昇(約300$$^circ$$C)が生じることを明らかにした。また、微小亀裂が生じた試料の残強度を確認した結果、受け入れ材と同等の残強度があることを確認した。

論文

Microbubble formation at a nozzle in liquid mercury

Bucheeri, A.; 粉川 広行; 直江 崇; 二川 正敏; 羽賀 勝洋; 前川 克廣*

Journal of Nuclear Science and Technology, 45(6), p.525 - 531, 2008/06

 被引用回数:2 パーセンタイル:17.03(Nuclear Science & Technology)

J-PARCに設置される水銀を核破砕標的に用いたパルス中性子源では、パルス陽子線入射によって発生する水銀中の圧力波がキャビテーションを誘発し、標的容器健全性を低下させるとして問題視されている。この圧力波を抑制するための方策の一つとして、水銀中へ微小気泡を注入することを検討している。圧力波の抑制効果は注入する気泡径,気泡率に依存する。水銀中における微小気泡生成技術を構築するために、水銀中における気泡生成挙動を把握することが重要である。本報告では、計算流体力学シミュレーションにより水銀中の生成気泡挙動を評価した。さらに、静止水銀中において微小ノズルからの気泡生成を高輝度X線により可視化し、シミュレーションとの比較を行った。その結果、静止下では水銀の高い表面張力により気泡はノズル外周に沿って成長し気泡径は大きくなること、流動下では表面張力の影響が小さくなることを明らかにした。

論文

Wettability effect on bubble formation at orifice type nozzle

Bucheeri, A.; 粉川 広行; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克廣*

実験力学, 7(4), p.331 - 336, 2007/12

J-PARCには、水銀をターゲット材に用いた核破砕中性子源が設置される。高出力の陽子線が水銀に入射すると、圧力波によってキャビテーションが誘発される。キャビテーション損傷を抑制するために、直径50-200$$mu$$m程度のマイクロバブルを水銀中へ注入することを検討している。しかしながら、水銀は濡れ性が悪いため、水銀中における気泡の生成は困難である。また、水銀は不透明であるため、水銀中における気泡生成の観察は困難である。そこで、濡れ性が悪い条件における気泡生成挙動を再現するために、濡れ性を人工的に変化させて水中で気泡生成実験を行った。穴径100$$mu$$mのオリフィスからの気泡の成長過程を高速度ビデオカメラにより観察した。さらに、オリフィスからの気泡の成長に濡れ性が及ぼす影響を調べるために、数値解析を行った。その結果、生成される気泡直径は接触角に依存し、濡れ性が悪くなるに従い気泡直径は増大した。

口頭

静止及び流動水銀中におけるガス気泡生成解析

Bucheeri, A.; 粉川 広行; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克廣*

no journal, , 

液体水銀ターゲットを用いた高出力核破砕中性子源では、高強度のパルス陽子線入射に励起される圧力波によって水銀中にキャビテーションが生じる。このキャビテーションを抑制するために、水銀中に直径50から200$$mu$$m程度のマイクロバブルを注入することを検討している。気泡注入による効果は、注入する気泡サイズと気泡率に依存する。そこで、水銀中におけるノズル先端からのマイクロバブルの生成挙動を調べ、マイクロバブル生成技術を開発するために、数値流体力学コードを用いた静止及び流動水銀中における気泡注入シミュレーションを行った。その結果、静止水銀中では、気泡はノズル外壁を這うように成長することを明らかにした。また、流動水銀中では、水銀流の抗力とせん断力により、静止水銀中と比較して小さな気泡となることを確認した。

口頭

バブリング用メゾノズルの開発要素

大曽根 龍次; Bucheeri, A.; 栗下 裕明*; 加藤 昌宏*; 山崎 和彦*; 前川 克廣*; 直江 崇; 二川 正敏

no journal, , 

液体水銀を用いた核破砕中性子源では、高強度のパルス陽子線が水銀ターゲットに入射すると、核破砕反応に起因する水銀の熱衝撃による圧力波が発生するとともに、キャビテーションによるピッティング損傷がターゲット容器内壁に形成される。この圧力波を抑制するために、ターゲット容器内の水銀にマイクロバブルを注入することが検討されている。本研究では、圧力波抑制のためのバブル生成用メゾノズルの製作法を提案した。本手法は、ガラスファイバーを含有する金属圧粉体を製作し、ガラスと金属粉の融点の差を利用し、粉末焼結により貫通穴を作成するものである。SUS316L及びモリブデンを用いて金属粉末の焼結性を調査した。その結果、モリブデンでは直径約100$$mu$$mで任意の長さの貫通穴を作成可能であることを確認した。

口頭

Fabrication of bubbler nozzle for micro-bubble injection in liquid mercury

Bucheeri, A.; 栗下 裕明*; 加藤 昌宏*; 直江 崇; 粉川 広行; 二川 正敏; 前川 克廣*

no journal, , 

液体水銀を用いた高出力核破砕中性子源では、パルス陽子線入射により励起される圧力波よってキャビテーションが生じ、水銀を包含するターゲット容器内壁にピッティング損傷が付加される。圧力波を抑制するために、水銀中へマイクロバブルを注入することが有効である。本報では、水銀の濡れ性,バブルサイズ,注入ガス流量,水銀流速等を考慮した数値解析を行い、水銀中におけるマイクロバブルを発生させるノズルの形状を決定した。これらの結果に基づき、微細な貫通穴が形成可能な粉末焼結によるノズル製作法を提案した。金属粉末とガラスファイバーの融点の差を利用し、焼結条件を制御することで微細な貫通穴が作成できることを確認した。

口頭

SUS316のAl粉末合金被覆におけるクラック形成に及ぼす被覆条件の影響

横田 仁志*; 佐藤 英友*; 鈴木 徹也*; 前川 克廣*; 倉田 有司

no journal, , 

長寿命放射性核種を核変換するための加速器駆動システム(ADS)の核破砕ターゲット及び冷却材に用いる液体鉛ビスマスは、構造用鋼を腐食する問題がある。この問題を解決するため、鋼表面にレーザーを熱源とするAl粉末合金被覆を施すことによって耐食性を改善する方法を検討した。被処理材をSUS316とし、作製したAl-Ti-Feシート材を用いて、アルゴン雰囲気中、YAGレーザーで表面を走査することにより、被覆を行った。処理条件として、シート材の組成や熱源であるレーザーの走査速度等を変化させた。この被覆処理によって、SUS316表面にAl濃度の高い被覆層が生成した。シート材中のAl量が多い場合には、生成した被覆層中のAl濃度が高くなり、クラックが発生した。被覆層中のAl濃度と被覆層に形成したクラック数の関係を詳細に調べ、この被覆方法においてクラックが形成する条件に関する知見を得た。

口頭

Study on high-strain-rate tensile fatigue properties of irradiation hardening simulated austenitic stainless steel

Zhihong, X.*; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克廣*

no journal, , 

核破砕中性子源水銀ターゲット容器は、10$$^2$$ s$$^{-1}$$程度の高ひずみ速度で10$$^8$$回以上の超高サイクルの繰返し応力負荷を受ける。超高サイクル領域では、表面からの亀裂だけでなく、内部の介在物を起点とした亀裂の進展により10$$^6sim10^7$$で評価される疲労限度以下の応力で破断する場合がある。本研究では、水銀ターゲット容器が受けるひずみ速度を考慮した超高サイクルの疲労強度を調べるために、容器構造材であるSUS316Lとその照射硬化模擬材である冷間加工材の超音波疲労試験を実施した。その結果、通常の疲労試験(10$$^{-3}sim10$$s$$^{-1}$$)と比較して、ひずみ速度効果により疲労強度が2割程度上昇すること、10$$^8$$回以上でも著しい疲労強度の低下が生じない傾向がみられることを明らかにした。

口頭

Change in mechanical properties of austenitic stainless steels due to very high cycle fatigue

Xiong, Z.; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克廣*

no journal, , 

オーステナイト系ステンレス鋼であるSUS316Lは、核破砕中性子源の水銀ターゲット容器構造材として使用されている。ターゲット容器は、陽子及び中性子照射環境に曝されるのに加えて、50 1/S程度の高ひずみ速度で、2$$times$$10$$^8$$以上の繰り返し応力負荷を受ける。本研究では、SUS316L、及び照射による転位導入を模擬した10%冷間圧延材について、室温中における超高サイクル領域の疲労強度を超音波疲労試験法により調べた。さらに、疲労過程における力学特性変化について、疲労試験後の硬度及び残強度測定により評価した。その結果、転位導入により疲労限度が1.5倍程度向上することを確認した。また、受け入れ材では、繰り返し負荷による転位蓄積に起因すると考えられる、硬度及び最大引張り強さの上昇が観測された。一方、冷間圧延材では、10$$^6$$回以下では、繰り返し負荷による軟化が生じ、その後、硬度が上昇する傾向が見られた。

口頭

Very high-cycle fatigue behavior in mercury target vessel for high-power pulsed spallation neutron source

Xiong, Z.; 直江 崇; 二川 正敏; 涌井 隆; 粉川 広行; 羽賀 勝洋; 前川 克廣*

no journal, , 

J-PARCのパルス核破砕中性子源で使用するSUS316L製の水銀ターゲット容器は、陽子線入射圧力波により積算で10$$^8$$回以上(超高サイクル)の繰返し応力負荷を受ける。超高サイクル領域では、通常の疲労試験によって決定された疲労限度以下の応力で破断する場合がある。繰り返し応力に加えて、ターゲット容器の先端部は、最大50s$$^{-1}$$の高ひずみ速度で変形する。本研究では、SUS316L及び照射硬化を模擬した冷間圧延材を用いて、試験片の表面温度を制御した超音波法により超高サイクルの疲労試験を実施した。その結果、10$$^9$$回までの試験では、明確な疲労限度は確認されなかった。さらに、ターゲット容器先端部で想定される最大温度250$$^circ$$Cでは、室温と比較して75%程度疲労強度の低下が観測された。

口頭

Effect of microbubble injection on cavitation erosion

Sun, X.*; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克廣*

no journal, , 

J-PARCの物質・生命科学実験施設(MLF)には水銀を標的に用いたパルス核破砕中性子源が設置されている。陽子ビームが標的に入射すると、水銀の熱衝撃に起因する圧力波が発生する。圧力波が水銀中を伝ぱする過程で発生する負圧によって、標的容器内壁に損傷を形成するキャビテーションが生じる。MLFでは、圧力波を低減するために水銀中へのマイクロバブル注入を実施している。本研究では、マイクロ秒スケールで持続する負圧に対するマイクロバブル注入の効果について、水中での超音波ホーンを用いた損傷実験により評価した。

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