Temperature accelerated dynamics study of migration process of oxygen defects in UO

一宮 尚志*; Uberuaga, B. P.*; Sickafus, K. E.*; 西浦 廉政*; 板倉 充洋; Chen, Y.*; 金田 保則*; 木下 幹康

Journal of Nuclear Materials, 384(3), p.315 - 321, 2009/02

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.12.040

軽水炉で使用される二酸化ウラン燃料中の酸素欠陥の移動プロセスを、温度加速法を用いて研究した。格子間酸素原子の移動は酸素欠損より遅いが、格子間原子がクラスターになると欠損より速く動くことがわかった。この結果は高燃焼度燃料のリム組織形成や平面欠陥といった現象の生成メカニズムを解明するための有力な手がかりである。

Clarification of the properties and accumulation effects of ion tracks in CeO

園田 健*; 木下 幹康*; 石川 法人; 左高 正雄; 知見 康弘; 大久保 成彰; 岩瀬 彰宏*; 安永 和史*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 266(12-13), p.2882 - 2886, 2008/06

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2008.03.214

高エネルギーイオン照射したCeOのイオントラック構造とその蓄積の効果を電子顕微鏡観察の手段を使って調べた。特に、FIB(集束イオンビーム:Focused Ion Beam)を用いることによって、照射方向の微細組織の深さ依存性について調べることができた。その結果、電子系に伝達されるエネルギー密度が、閾値16keV/nm以上のときにのみイオントラックが観測されることがわかった。また、高照射量領域でのイオントラックの蓄積が、照射表面の面粗度の上昇に寄与していることがわかった。

Study of irradiation induced restructuring of high burnup fuel; The New cross-over project (NXO) to study rim-structure formation

木下 幹康*; Geng, H. Y.*; Chen, Y.*; 金田 保則*; 岩沢 美佐子*; 大沼 敏治*; 園田 健*; 安永 和史*; 松村 晶*; 安田 和弘*; et al.

Proceedings of 2006 International Meeting on LWR Fuel Performance (TopFuel 2006) (CD-ROM), p.248 - 254, 2006/10

ニュー・クロスオーバー・プロジェクト(NXO)は、核燃料物質に対する核分裂放射線照射の影響を大学,国立・私立の研究所に渡る横断的な協力研究により検討している。加速器照射実験及び計算科学的手法を使用して、高燃焼度軽水炉燃料ペレットでリム構造を構成する機構を解明するためのシミュレーション研究が実施されている。加速器照射,高エネルギー電子線照射,核分裂エネルギー粒子線及び希ガス原子のイオン注入等が実施されている。照射試料としては、CeOを核燃料の模擬物質として使用した。最初の成果として、高エネルギー電子照射による平面構造形成、及び、高線量の高エネルギー粒子放射による結晶粒微細化に似た表面改質が観察された。第一原理及び分子動力学(MD)計算を用いた解析を実施し、UOとCeOの点欠陥形成エネルギー及び点欠陥を伴ったXe原子の相互作用についての情報が得られた。

FEMAXI-III :A computer code for the analysis of thermal and mechanical behavior of fuel rods

中島 鐵雄; 市川 逵生; 岩野 義彦*; 伊東 賢一*; 斎藤 裕明*; 鹿島 光一*; 木下 幹康*; 大久保 忠恒*

JAERI 1298, 90 Pages, 1985/12

JAERI-1298.pdf:3.59MB

FEMAXI-IIIは軽水炉燃料棒の照射中における熱的及び力学的なふるまいを解析する計算コードである。FEMAXI-IIIは燃料棒全長の総合的まふるまいを全照射期間を通して解析する機能と動じに、燃料棒の一部分の局所的なふるまいを解析する機能とを併せ持っている。被覆管のリッジ変形のような局所的な力学ふるまいは二次元軸対称有限要素法により解析される。FEMAXI-IIIは特に、温度分布、半径方向変位、FPガス放出及び燃料棒内ガス圧力を時間と軸方向位置の関数として計算すると共に燃料棒の一部分における燃料と被覆管内の応力とひずみを時間の関数として計算する。有限要素解の精度と安定性うを向上させることと計算機記憶容器及び計算時間を最小に抑えることに注意を払った。本報告書ではFEMAXI-IIIコードの概要と基本的なモデルを記憶すると共に、適用例と入力の説明を記した。

UO中の酸素欠陥の挙動の数値シミュレーション

一宮 尚志*; 西浦 廉政*; 板倉 充洋; 木下 幹康

no journal, , 

二酸化ウランのリム構造形成においては、結晶中の酸素空孔及び格子間原子の挙動が重要な役割を果たすと考えられているが、格子間原子の移動は長時間のスケールで起こる現象のため、通常の分子動力学シミュレーションは困難である。本講演では、より長時間の挙動を追う手法を用いてシミュレーションを行った結果を述べる。

新クロスオーバ研究,7; 放射光を用いた核燃料模擬物質セリアの重イオン照射効果の研究

大野 裕隆*; 前田 修大*; 中川 将*; 図子 善大*; 岩瀬 彰宏*; 馬場 祐治; 平尾 法恵*; 石川 法人; 知見 康弘; 左高 正雄; et al.

no journal, , 

核燃料中の核分裂片による損傷を評価するために、UOの模擬物質CeOへの重イオン照射効果をX線吸収分光法により評価した。3keV Ar照射実験及び放射光を利用したX線吸収分光測定の結果、照射によって弾性的はじき出しを介して酸素がはじき出され、Ceの電荷が4+から3+に変化することを明らかにした。

Modeling studies of recovery process induced by fission/ion truck in UO/CeO

鈴土 知明; 蕪木 英雄; 板倉 充洋; 福田 由佳*; 木下 幹康

no journal, , 

高燃焼度燃料の周辺領域では、1ミクロン程度の気泡が多数発生すると同時に、結晶粒の細粒化が起きる。これはリム組織化と呼ばれ核燃料材料の劣化を引き起こす。そこでわれわれは、このような微細構造がどのようなメカニズムによって形成されるのかを研究するため、モンテカルロ法などによるモデリングを行っている。発表ではシミュレーション結果を、実際のリム組織形成の実験データ、及びリム組織化の模擬実験として行われた加速器によってXeイオン照射されたCeOの細粒化の実験データと比較しモデルの有効性を議論する。

Study of fission and high-burnup induced restructuring of nuclear fuel ceramics; Applying computer science to investigate kinetic process

木下 幹康; Chen, Y.*; 金田 保則*; Geng, H. Y.*; 岩沢 美佐子*; 大沼 敏治*; 一宮 尚志*; 西浦 廉政*; 板倉 充洋; 中村 仁一; et al.

no journal, , 

軽水炉燃料においては約70GWd/tの燃焼度で結晶粒が50200nmに変化する細粒化が観察されている。新クロスオーバ研究では加速器実験と計算科学的手法により、その主要なプロセスのシミュレーションが行われている。加速器照射においては、模擬燃料セリア(CeO)における、結晶の細粒化が部分的に再現された。TEM観察によると主要なプロセスは細粒化であり異なるスケールの酸素原子の欠陥と板状のクラスターが重要な役割を担っていることが示された。一方、第一原理,分子動力学,モンテカルロ法,メゾスケールのセルオートマトン法等の計算科学的研究も現在実施している。計算科学的研究の骨子は核分裂片トラックによる加熱とクエンチの繰り返しの理解がもとになっている。これらにより原子は高エネルギーの準安定位置と構造に置かれる。多くの実験観察をもとに目標とするプロセスの核心に解析が近づいている。

Strategy of NXO project to go beyond "Cook and Look" development scheme in nuclear fuel development

木下 幹康

no journal, , 

The development of nuclear fuel had been following very conservative and step by step process. The new cross-over (NXO) project is aiming at clearing this situation, with combination of computer science and accelerator irradiation, focusing into very specific subject, the high burnup restructuring of fuel material. The key strategy for the new development scheme is to find a material testing procedure, not doing total integral test, not doing separate test, but other approach which is effective for complex system. We call it the domain test here. The domain means part of the total system with certain scale range, and it is defined by locally controlled functions. One example is material behavior of less than 100 nm scale. NXO project is focusing in such local scale and trying to clarify trans-domain process which includes planar fault formation and grain sub-division.

新クロスオーバー研究(NXO),2; 燃料細粒化現象の機構解明をめざしたUO及びCeOへのイオン照射効果

園田 健*; 石川 法人; 左高 正雄; 大久保 成彰; 安永 和史*; 安田 和弘*; 椎山 謙一*; 松村 晶*; 岩瀬 彰宏*; 木下 幹康

no journal, , 

新クロスオーバー研究として実施した研究で、高エネルギーイオン(210MeV Xe)を照射したCeOのイオントラック重畳による微細組織変化の解明,高エネルギーイオン(210MeV Xe)を照射したUO中に発生するイオントラックの特徴について報告する。高エネルギーイオン(210MeV Xe)を照射したCeO内部では照射前にはなかった粒径(1-2m)が観測され、多くの結晶粒界が見られた。高エネルギーイオンによる高密度電子励起効果の結果として照射欠陥の集積,粒界形成を促進する可能性があることが示された。5-810ions/cmまで照射したUOの気泡表面に照射前にはなかった凸凹状変形が発生した。同様の形状変化は、高エネルギーイオン(210MeV Xe)を照射したCeOにおいても観測されており、CeOとUOの照射効果の類似点を確認できた。