Surface nanostructures on Nb-doped SrTiO irradiated with swift heavy ions at grazing incidence

石川 法人; 藤村 由希; 近藤 啓悦; Szabo, G. L.*; Wilhelm, R. A.*; 小河 浩晃; 田口 富嗣*

Nanotechnology, 33(23), p.235303_1 - 235303_10, 2022/06

https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac58a5

高速重イオンを微小入射角で照射したNb添加SrTiOの表面ナノ構造を調べた成果についてまとめた。セラミックスに対して高速重イオンを微小入射角で照射すると、ヒロックチェーン(イオンの飛跡に沿って、複数個並んで形成されるナノヒロック)が表面付近に形成されることが知られている。我々は、ヒロックチェーンの形態・性状をAFM(原子間力顕微鏡)とSEM(走査型電子顕微鏡)を利用して、詳細に調べた。その際に、全く同じヒロックチェーンを、AFMとSEMのそれぞれで観察することに成功した。AFMの観察データは、先行研究の示す通りに、ヒロックチェーンが形成されていることを示している一方で、SEMの観察データは(同じヒロックチェーンを観察しているにもかかわらず)ヒロックチェーンをつなぐ黒い線状コントラストも現れることが判明した。これらの新しい損傷データをもとに、ヒロックチェーンの形成メカニズムについて推論した。さらにTEM(透過型電子顕微鏡)観察し、微小入射角で照射した際に形成される特殊なイオントラック損傷の形成プロセスを明らかにした。

Investigation of dominant factors accelerating corrosion under gamma-ray irradiation

小河 浩晃; 井岡 郁夫

QST-M-29; QST Takasaki Annual Report 2019, P. 71, 2021/03

https://repo.qst.go.jp/records/82107

本件は、ガンマ線照射下の腐食促進機構の解明を目的として研究を実施している。ガンマ線照射は量子科学技術研究開発機構(QST)のCo照射施設を利用し、照射時間は30minとした。照射中、水のpHは減少し、電気伝導率は増加する傾向を示した。照射試験後の水中の過酸化水素濃度は3.510wt%であった。10wt%以下の過酸化水素濃度では、その濃度が増加するにしたがって、pHは減少した。しかしながら、3.510wt%ではpHを減少させることはできないことから、照射中の水のpHの減少は、過酸化水素起因ではないことを示した結果と考えられる。

高温ガス炉用耐酸化燃料要素の製造および検査技術開発

相原 純; 安田 淳*; 植田 祥平; 小河 浩晃; 本田 真樹*; 大平 幸一*; 橘 幸男

日本原子力学会和文論文誌, 18(4), p.237 - 245, 2019/12

https://doi.org/10.3327/taesj.J19.002

原子力機構は、深刻な酸化事故時の高温ガス炉(HTGR)の安全性向上のため、日本原子力研究所(現・原子力機構)で行われた先行研究に基づき耐酸化燃料要素の製造技術開発を行った。被覆燃料粒子(CFP)の模擬であるアルミナ粒子をSi及びC及び少量の樹脂の混合粉末でオーバーコートし、型に詰めて熱間加圧しSiC/C混合母材を持つ耐酸化燃料要素(模擬)を焼成した。母材のSi/C比が1.00である耐酸化燃料要素(模擬)が製造され、母材のX線回折スペクトルからSiとCのピークは検出されなかった。燃料要素中のCFPの破損割合はHTGR燃料の非常に重要な検査項目の1つである。そのためにはCFPが追加破損を起こさないように燃料要素から取り出すことが必要である。このCFP取り出しの方法を開発した。SiCのKOH法または加圧酸分解法による溶解がこの方法として適用できる見通しを得た。ただし、CFPの外側高密度熱分解炭素(OPyC)層が残っていることが必要である。OPyC層の一部または全部は燃料要素の焼成中に混合粉末中のSiと反応してSiCに変化するものと予測される。

Enhancement of Fe-N-C carbon catalyst activity for the oxygen reduction reaction; Effective increment of active sites by a short and repeated heating process

保田 諭; 内堀 揚介*; 分島 亮*; 日夏 幸雄*; 小河 浩晃; 矢野 雅大; 朝岡 秀人

RSC Advances (Internet), 8(66), p.37600 - 37605, 2018/11

https://doi.org/10.1039/C8RA08359B

本研究では、酸素還元活性サイトである、Fe原子が窒素ドープナノグラフェンに配位結合したFe-N-C活性サイトを、高比表面積の垂直配向カーボンナノチューブ(VA-CNT)表面に担持し、酸素還元反応(ORR)活性なFe-N-G担持/VA-CNT(Fe-N-G/VA-CNT)触媒を開発する設計指針を得る。これまで、FeおよびNを含む鉄フタロシアニン分子を前駆体とし、VA-CNT表面に吸着させ焼成することによりFe-N-G/VA-CNT触媒の開発に成功してきた。本申請案では、Fe-N-C構造形成のカギとなる触媒焼成条件がORR活性能に与える影響について精査した。その結果、短時間加熱と急冷を繰り返すプロセスでは、任意の繰返し数において、Fe-N-C活性サイトの構成元素であるFeおよびN原子の熱脱離が抑制され、Fe-N-C構造の質量密度の増加によるORR活性能の向上が観察された。この結果は、焼成時における熱履歴を制御することで高活性化が可能であり、非白金系ORR触媒実現のための設計指針を得ることができた。

A Statistical-mechanical method to evaluate hydrogen solubility in metal

小河 浩晃

Journal of Physical Chemistry C, 114(5), p.2134 - 2143, 2010/01

https://doi.org/10.1021/jp906506z

金属中への水素溶解において、従来のサイトブロッキングモデル(SBM)の概念と実験事実との間に矛盾があるため、サイト占有モデル(SOM)を提案する。SOMは、金属中の水素は、1MPa以下の水素圧条件下では、互いに0.21nm以内に近づくことができないと言う実験事実に基づいている。水素溶解度は、並進運動,配置,回転運動の分配関数とスピン重率を考慮した統計力学的手法を展開し、解析されている。本手法の妥当性は、水素溶解度の実験データとの一致によって判断している。従来のSBMとSOMの比較も行っている。SOMからの理論曲線は、原子比0.5H/Mを超える高い水素溶解度でさえも、従来のSBMのそれらと比較して、実験データとよく一致する。

高性能燃料被覆管材質の研究; 平成1317年度(フェーズ2)報告書(共同研究)

木内 清; 井岡 郁夫; 田邉 誠*; 南条 吉保*; 小河 浩晃; 石島 暖大; 塚谷 一郎; 落合 孝正; 木崎 實; 加藤 佳明; et al.

JAEA-Research 2006-023, 173 Pages, 2006/03

JAEA-Research-2006-023.pdf:20.51MB

本報告は、将来の核燃料サイクル技術として、BWRでのMOX燃料の有効利用,経済性向上と廃棄物の低減を同時に達成するための100GWd/t級の超高燃焼度BWR用の高性能燃料被覆管材質の研究フェーズ2として、平成1317年度の5年間に実施した共同研究の成果である。本研究のフェーズ2では、フェーズ1で選定した超高純度UHPとSAR加工熱処理の仕様を持つ25Cr-35Ni-0.2Ti系改良ステンレス鋼製の被覆管と、Nb-Mo系合金製の耐PCIライナを用いた燃料要素の実用製造技術として、被覆管の製管工程,ライナの動的拡散接合技術及び端栓のレーザ溶接法等を開発した。それらの実環境適用性の基礎評価では、加速器TIARAや研究炉JRR-3を利用した照射試験等を行い、現行BWR炉心用の低炭素ステンレス鋼の重要課題である応力腐食割れに対する抵抗性を含む耐照射性を確認するとともに、長期耐久性にかかわるクリープや疲労の特性データを取得した。併せて、候補材の100GWd/t級の燃料被覆管としての成立性に関して、燃料安全性の観点からBWR燃料ふるまいコードを用いた数値解析を行い、燃料設計や基礎工学試験に必要な基盤データベースを整備した。

低温プラズマ存在下における被覆管材の水素透過挙動の評価

小河 浩晃*; 木内 清

JAERI-Research 2002-037, 48 Pages, 2002/12

JAERI-Research-2002-037.pdf:2.57MB

革新的軽水炉燃料被覆管材の長期健全性にかかわる水素-金属相互作用に関する基礎検討として、原研開発材25Cr-35Ni系合金とNbライナー材、及び、比較材として従来被覆管仕様ステンレス鋼,現用軽水炉被覆管材ベース金属Zr、及びNiの5つの材料間の水素透過挙動の違いを、放射線励起効果の観点から基礎評価した。RF駆動型低温プラズマ源を用いた励起水素透過試験装置を整備して、同一水素分圧で低温プラズマと熱平衡の水素透過の温度依存性及び電場のバイアス効果等を解析した。低温プラズマ励起による水素透過の促進傾向が全材料の中低温領域に見られ、約530K以下の低温側の水素透過挙動は水素-欠陥相互作用に伴い変化した。NbはZrのような水素化物脆化を生じずに多量に水素が固溶出来る水素ゲッター材としての適性が確認された。電場効果では、電子引き込み条件に依存した水素透過能の増大傾向を示し、表面直上の低速電子励起効果の重要性が確認された。水素溶解の新モデルを構築して材料間の励起水素透過の促進傾向の違いを評価した。

高性能被覆管材料選定のための金属-水素相互作用の基礎的検討

小河 浩晃; 佐分利 禎; 木内 清

JAERI-Research 2000-055, 57 Pages, 2000/11

JAERI-Research-2000-055.pdf:3.73MB

本研究では、水素脆性に対する抵抗性の高い被覆管やライナー材選定の観点から、代表的な金属材料と水素の相互作用に関する基礎検討を行った。その抵抗性は、実用温度での水素の溶解度に依存する。水素の溶解度は、hcpfccbccのように結晶構造に大きく依存し、拡散係数とも相互関係を有することがわかった。高純度の高融点金属では、bcc系金属の方がhcp系よりも水素脆性に対する高い抵抗性が期待される。fcc金属材料では、水素圧力と温度に依存した統計熱力学的な溶解挙動を示す。しかし、最大溶解度がbcc系金属と比較して低く、過剰な水素が格子欠陥にトラップされる。熱中性子断面積の低いNbは、核変換反応により多量の水素を生成しやすいオーステナイト合金等の被覆管材の水素脆性防止用ライナー材として有用と考えられる。

低圧酸素中の耐食合金の高温酸化に及ぼす低速電子励起効果とCrの役割

小河 浩晃; 木内 清

no journal, , 

高周波励起源を備えたCahn型の熱天秤を用いて、耐食合金の酸化機構に及ぼす低速電子励起酸素の効果を評価した。試験材には、重要な耐食元素Crの効果を見るために、Cr含有量の異なるステンレス鋼等の6合金を用いた。低温プラズマ診断法と数値解析をもとに、低速電子励起に最適な励起条件を選定した。試験は、20Paの酸素圧,473K873Kの温度範囲で実施した。酸化挙動は、in-situ質量測定とXPSを用いた酸化膜深さ方向の成分分析により評価した。酸化膜厚で評価した酸化速度は、合金中のCr含有量の増加とともに低減し、酸素ガスと比較して、酸素ポテンシャルの高い励起酸素で大きく加速した。金属Crや合金中のCr濃度の高い合金の励起酸素の高温酸化では、Crの逃散に伴う質量減少傾向を示した。その酸化機構は、CrOx(solid)-CrOy(gas)-Po2のKellogg型状態図の解析結果をもとにした、CrOの蒸気圧を考慮した新しい酸化反応モデルにより解析された。なお本発表は、表面技術誌(Vol.58, p.543-549)に記載された論文で、論文賞を受けることになり、その記念講演である。

Effect of axial temperature gradient on oxidation of Zircaloy-2 cladding under high temperature steam

井岡 郁夫; 加藤 仁; 小河 浩晃

no journal, , 

使用済み燃料プール(SFP)の冷却機能が喪失した場合、崩壊熱を有する使用済み燃料ピンは冷却水の蒸発に伴い水蒸気及び空気環境下に曝される。SFPのドライアウト時の燃料ピン酸化挙動は、温度傾斜場とそれにより発生する応力勾配のため、等温酸化と異なる可能性がある。そこで、軸方向温度傾斜場でのジルカロイ2被覆管の酸化挙動を調べた。酸化試験は、Arガス0.5L/minをキャリアガスとして飽和水蒸気中、600Cで実施した。軸方向の温度勾配は、約100C/cmであった。試験中に発生した水素ガス量変化はほぼ同じであったが、温度勾配のある試験では、水素発生量は若干増加した。酸化皮膜厚さ及び皮膜構造には顕著な差が認められなかった。温度勾配(100C/cm)のある場合でも、ジルカロイ2被覆管の酸化挙動はほとんど変わらなかった。