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報告書

k$$_{0}$$法に基づく中性子放射化分析法を用いた高純度チタン及び炭化ケイ素(SiC)の不純物元素の分析; 研究炉を用いたシリコン照射の生産性向上に関する技術開発(共同研究)

本橋 純; 高橋 広幸; 馬籠 博克; 笹島 文雄; 徳永 興公*; 川崎 幸三*; 鬼沢 孝治*; 一色 正彦*

JAEA-Technology 2009-036, 50 Pages, 2009/07

JAEA-Technology-2009-036.pdf:32.66MB

JRR-3及びJRR-4では、中性子転換ドーピング法を用いたシリコン単結晶(Si)の半導体(NTD-Si)の製造が行われている。現在、NTD-Siは、増産を目的とした生産性の向上が重要な課題となっている。このため、中性子均一照射工程を現在よりも効率的に行うためには、中性子フィルタ法があり、中性子フィルタ材としては、高純度チタン材料の使用が考えられる。また一方で、炭化ケイ素(SiC)は、シリコン(Si)材よりパワー半導体デバイスとしての優れた物理的特性を有しているため、NTD法によるSiC半導体製造の技術開発についても大いに検討の対象となる。そこで、高純度チタン及びSiC材料について、中性子照射後の放射化量を評価するため、k$$_{0}$$法に基づく中性子放射化分析法を用いた不純物元素の分析を行った。本分析により、高純度チタンからは6元素、SiCからは9元素を検出し、定量を行った。このうち、高純度チタンから検出されたSc及びSiCから検出されたFeは、半減期が比較的長い核種である。これらの核種からの放射線による取扱い作業での被ばくが問題となるため、不純物管理の検討が必要であることがわかった。

論文

Evaluation of unintentionally doped impurities in silicon carbide substrates using neutron activation analysis

大島 武; 徳永 興公*; 一色 正彦*; 笹島 文雄; 伊藤 久義

Materials Science Forum, 556-557, p.457 - 460, 2007/00

炭化ケイ素(SiC)基板作製時に意図せずに混入する微量不純物を放射化分析を用いて評価した。昇華法により作製された市販の高品質高抵抗六方晶(4H)SiC及び化学気相成長法により作製された市販のn型立方晶(3C)SiCを試料として用いた。試料表面の汚染を取り除くために有機洗浄(アセトン,エタノール)及び酸(硝酸,フッ酸)処理を行った後に、原子力機構JRR-3にて中性子照射(1時間又は100時間)を行った。k0法により基板に含まれる微量不純物を評価した結果、4H-SiC, 3C-SiCともに、亜鉛,砒素,臭素,モリブデン,アンチモンが含まれることが判明した。また、これ以外にも、4H-SiCからは鉄,タンタル,タングステン,金が、3C-SiCからはランタンが検出された。

論文

原子炉定常線源

森井 幸生; 一色 正彦

結晶解析ハンドブック, p.111 - 114, 1999/09

材料開発、新物質の理解にはその構造を原子的尺度で解明し、それに基づいた物質諸性質を理解することが必要である。X線、中性子線等を用いた回折結晶学の歴史は古く、物質の構造に関し最も信頼し得る結果を与えてくれる手段を提供する学問として発展し、その実積もあり、広く利用されてきた。最近の結晶学における新しい成果や技術を時代の要求に即応して、ハンドブックの形に集大成することとなった。ここでは、原子炉を使った定常中性子源に関して、歴史、中性子発生法、施設、特徴などについて解説を行う。

論文

原子炉中性子

森井 幸生; 一色 正彦

Radioisotopes, 45(11), p.717 - 721, 1996/11

「中性子による計測と利用」と題する講座の中で、中性子源に関する章のうちの原子炉から得られる中性子について概観したものである。まず世界の主な研究用原子炉を紹介し、その中の原研改造三号炉を例にとりながら、中性子発生法、熱中性子スペクトル、中性子ガイドホールなどについて、中性子散乱実験を実施する観点からその特徴や利用法について記述した。

論文

Status of reduced enrichment program for research reactors in Japan

神田 啓治*; 中込 良広*; 一色 正彦; 馬場 治; 鶴田 晴通

1996 Int. Meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactors (RERTR), 0, 8 Pages, 1996/00

原研のJRR-2、JRR-3M、JRR-4及びJMTRそして京都大学原子炉実験所のKURを中心に、我が国研究炉の燃料濃縮度低減化(RERTR)計画の現状と今後の計画、関連R&Dの成果等について紹介している。

論文

大口径半導体シリコン製造のための均一照射装置の整備

鳥居 義也; 堀口 洋二; 大友 昭敏; 鯉淵 薫; 落合 康明; 重本 雅光; 一色 正彦

UTNL-R-0333, 0, p.9.1 - 9.10, 1996/00

大口径でかつ高品位な電気特性を有する半導体シリコンの製造は、在来法では限界がある。これに対し、原子炉の中性子照射を利用し製造された半導体シリコンは均一度が優れることから、高い電気特性を有し、半導体製造分野において欠くことのできない存在である。これまで、原研研究炉では最大口径4インチの半導体シリコン製造のための照射を実施してきた。しかし、半導体開発の進展に伴いより大口径の照射が望まれた。このためJRR-3M均一照射装置を改造し、口径6インチ長さ60cmのシリコンを3%の均一度で照射できる装置とした。本発表では、改造の概要及び開発した新機構について報告し、特性測定の結果を解説する。

論文

原子力システム用超耐熱モリブデン基合金の設計

加藤 真人*; 加納 茂機; 井上 聡*; 一色 泰志*; 斉藤 淳一*; 吉田 英一; 森永 正彦*

日本金属学会誌, 57(2), p.233 - 240, 1993/00

原子力システム用構造材料として新しいモリブデン基合金を設計した結果について論文発表する。設計は高温引張強度、クリープ強度、密度、液体金属に対する耐食性の各項目について、2$$sim$$3元素、多元素及び実用合金を用いて行った。その結果、高温硬さと高温引張強度の相関及びクリープ強度と融点の相関を明らかにし、引張強度、クリープ強度、密度の予測法を開発した。これらの予測法に基づく候補合金系の設計を行った。

論文

JRR-3改造炉の特性

一色 正彦; 高橋 秀武; 市川 博喜; 白井 英次

日本原子力学会誌, 34(2), p.108 - 118, 1992/02

 被引用回数:5 パーセンタイル:49.13(Nuclear Science & Technology)

JRR-3改造炉は、平成2年3月22日初臨界を達成した後、ゼロ出力試験、出力上昇試験等の特性試験を経て、11月からは熱出力20MWでの利用運転を開始し、3年6月には平衡炉心に到達した。この間、炉心核・熱水力特性、原子炉運転制御性能、実験利用設備性能、遮蔽性能等種々の特性測定が実施され、その結果、JRR-3改造炉が汎用研究炉として世界でもトップレベルの性能を有していることが確認された。

論文

Computerized operator support system for the Japan Research Reactor-No.3

一色 正彦; 原 邦男

Japan-China Symp. on Research and Test Reactors, 11 Pages, 1988/00

JRR-3の計測制御システムは、原子炉施設からの情報約4500点を中央制御室において、集中監視・制御できるように運転支援システムを導入する。運転支援システムは、管理用計算機とプロセス制御システムから構成される。管理用計算機は、主として記録管理、機器故障診断、技術計算、照射工程管理等の機能を有し、プロセス制御システムは、シーケンス制御、運転状態監視等の機能を有している。運転員は、これら原子炉施設からの情報を運転支援システムのマンマシンインターフェースを介して、JRR-3の運転管理を行う。

論文

Reconstruction program for Japan Research Reactor-3

大西 信秋; 一色 正彦; 高橋 秀武; 渡辺 正秋

Japan-China Symp. on Research and Test Reactors, 11 Pages, 1988/00

JRR-3炉は国産1号炉として、1962年初臨界以来21年間、原子力の基礎研究、燃料・材料照射、RI生産の分野で活躍してきた。近年の照射及びビーム実験に関する高度な照射条件と良質な中性子ビームの要望に応えるため、汎用型高性能炉として改造を行うこととした。原子炉の改造工事は、昭和60年8月に開始し、昭和65年の完成を目標に進めている。改造炉は、多くの照射実験設備、ビーム実験設備及び冷中性子源装置を設置し、世界的に最高水準の実験研究が可能な研究炉となる。

口頭

NTD-Siに関する技術開発

山本 和喜; 山下 清信; 佐川 尚司; 一色 正彦*

no journal, , 

中性子核変換ドーピング(Neutron Transmutation Doping: NTD)法で製造されるNTD-Siの需要が高まってきている。省エネ効果の高いとされるパワーデバイスの需要に応えるためには生産性を向上しなければならない。特に急速に成長するハイブリッド自動車等の分野では、高安全性と低コスト化を両立させるためにNTD-Siの採用が検討されていることから、高品位で大容量のNTD-Si半導体の(1)安定供給,(2)低価格化を進めるため、NTD-Siの生産性向上に関する技術開発を行う。そのためには1JRR-3(東海,20MW)の既存設備を用いた生産性の向上,2JMTR(大洗,50MW)改造による増産(照射設備新設),(3)大口径シリコンの均一照射技術の開発する必要がある。特に国内量産化に効果的である大口径シリコン半導体の照射技術を開発することで、高品位インバータの低コスト化を促進することができる。これら技術開発の現状について説明を行う。

口頭

研究炉でのシリコンドーピング(NTD)

山下 清信; 一色 正彦*; 佐川 尚司; 山本 和喜

no journal, , 

近年、中性子核変換ドーピング(Neutron Transmutation Doping: NTD)法によって製造されるNTD-Siの需要が高まってきている。現在のNTD-Siの製造方法から増産のために取り組んでいる装置開発の状況について説明を行う。また、世界のNTD-Siの市場を状況を分析し、現在の世界の総供給能力を175トン/年と見積もった。しかし、ハイブリッド車への適用を考えると供給量が需要を下回ることが推測されることから、早急にNTD-Siの量産化と安定供給の体制を確保しなければならない。現在、200mm$$Phi$$大口径シリコン照射への対応計画を持っている原子炉は、オーストラリアのOPAL,ドイツのFRM-II,ベルギーのBR-2,韓国のHANARO,中国のCARR、そして日本のJMTRが挙げられる。将来的な需要を考えると、これら多目的研究炉では対応できなくなるため、300mm $$Phi$$大口径シリコンの照射が行えるような技術開発を進めることが肝要である。

口頭

NTDシリコン照射専用炉の検討

米田 政夫; 山本 和喜; 佐川 尚司; 一色 正彦*; 川崎 幸三*; 山下 清信

no journal, , 

シリコン中にリンを均一に添加できる中性子ドーピング(NTD:Neutron Transmutation Doping)法によって製造される高品質シリコンウェーハは、パワーデバイスに適用されており、省エネ効果と相まって近年その需要が急増している。将来の需要を見込み、大口径シリコン(12インチ)を多数照射可能なシリコン照射専用炉について中性子輸送計算モンテカルロコードMVPを用いて予備的な核設計を行った。原子炉燃料としてMTR燃料に加えて、燃料費,再処理コストの低減が期待されるUO$$_{2}$$ペレット燃料についても検討を行った。12インチという大口径シリコンになると、熱中性子を主体とする照射を行った場合、中央での熱中性子束が低下し径方向の均一性が悪くなる。そこで、入射する熱中性子の割合を減少させ、径方向での均一性を高めるために、熱中性子フィルターとして2mm厚のホウ素混入アルミニウムをシリコンの周りに配置する手法を取り入れた。計算の結果、UO$$_{2}$$ペレット燃料を用いた原子炉でも、径方向のドーピング分布を$$pm$$5%以内に抑えることが可能であり、MTR燃料モデルと同等の体系及びNTDシリコン生産能力を持つ原子炉の設計が可能であることがわかった。

口頭

JRR-3における12インチ径シリコン照射に対する均一照射条件の解析的評価

米田 政夫; 山本 和喜; 馬籠 博克; 一色 正彦*; 佐川 尚司

no journal, , 

6インチ径シリコンを用いた中性子ドーピング(Neutron Transmutation Doping: NTD)が行われている研究炉JRR-3において、12インチ径シリコンを均一に照射するための照射条件について計算コードMVPを用いて評価した。既存の照射技術ではシリコン照射筒の設置位置が炉心に近いほどスペクトルが硬化し均一性は向上するが、炉心に最も近い場合でも目標とする均一性(偏差が1.1以下)の達成は難しい。そこで、アルミに1%ホウ素を混入させた熱中性子フィルターを用いることにより均一な照射を図った。フィルターを用いた場合でも均一性及びドーピング反応量からシリコン照射筒は炉心に近い方が有利であるが、炉心に近いほど高速中性子束が高くなり、シリコンの照射欠陥の問題が生じる恐れがある。これらの条件のもと計算を行った結果、ドーピング反応量と高速中性子の影響のバランス等を考慮し、炉心から10cm離れた位置に照射筒を設置することが良いことがわかった。ここで検討した体系を用いると、仮にJRR-3の運転を年間8サイクル、シリコン照射設備の稼働率を50%とすると1本の照射筒による年間シリコン(抵抗率50$$Omega$$cm)生産量は25トンとなる。

口頭

シリコン照射専用炉による高品質シリコンの生産性

山本 和喜; 米田 政夫; 一色 正彦*; 佐川 尚司; 山下 清信

no journal, , 

省エネ化を継続的に推進していくために、将来に渡って堅調に電力変換に用いるSiパワーデバイスを提供していくことは重要であり、その高効率化の効果がもたらす省エネ効果並びに二酸化炭素削減効果は大きい。パワーデバイスとして絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が使用されており、その多くに中性子照射によって製造された高品質の中性子ドーピングシリコン(NTD-Si)が用いられている。こうしたことから数年後にはNTD-Siの需要がその供給容量を越える勢いで拡大している。われわれは昨年度より、シリコン照射専用炉の設計概念について検討を開始した。本報告ではJRR-3と同じシリサイド燃料を用いた3つの直方体の炉型について、モンテカルロコードMVPを用いた解析を行い、その生産性について評価した。検討した原子炉の形状のうち、長方形型モデル(3$$times$$12配列,20MW)が最も生産性に優れていた。本モデルでは、12インチ径シリコン照射筒を6本装備可能で、照射装置の稼働率を50%とするとシリコン(50$$Omega$$cm)が年間約134トン生産可能であることを明らかにした。

口頭

中性子入射トランスミューテーションについて

山本 和喜; 米田 政夫; 佐川 尚司; 一色 正彦*; 山下 清信

no journal, , 

省エネ化を継続的に推進していくために、将来にわたって堅調にSiパワーデバイスを提供していくことは重要であり、その高効率化の効果がもたらす省エネ効果並びに二酸化炭素削減効果は大きいとされている。電力変換に使用されているパワーデバイスとして絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が使用されており、その多くに中性子照射によって製造された中性子ドーピングシリコン(NTD-Si)が用いられている。こうしたことから数年後にはNTD-Siの需要がその供給容量を越える勢いで拡大している。しかし、パワーデバイス用シリコンの需要の増大に対し、現状の日本のNTD-Siの生産量はすでに頭打ち状態になっている。こうしたことから、NTD-Siの増産を図るべく、現行6インチ径シリコン照射装置の改良に取り組んでいる。中性子転換ドーピング法について概説し、現在、取り組んでいる10年から20年先に必要となる大口径(12インチ径)NTD-Siの照射技術の開発の状況について報告する。

口頭

中性子転換ドーピング(NTD)技術の現状と展望

佐川 尚司; 米田 政夫; 山本 和喜; 一色 正彦*

no journal, , 

原子炉で発生する中性子を用いるNTD(Neutron Transmutation Doping)法は、一般にガスドープ法に比べて極めて均一性の高いn型半導体を製造することができる。近年の省エネ機器の需要増加に伴って、それら省エネ機器の重要な構成部品であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)の需要は拡大している。初期のIGBTはエピタキシャル法で製作されていたが、第4世代以降(現在の主流は第5世代)のIGBTではFZウェーハを用いるようになり、その需要が急増している。こうしたことから近年のIGBTの需要増加に伴い、NTD-Siの需要も増加している。これに対し供給側の実状は世界中で約30基の研究用原子炉を用いて年間約200トンのNTD-Siの生産が行われており、そのうち約120トンが日本の製造メーカからの受注である。今後の増産にかかる必要性について述べるとともに、日本原子力研究開発機構が取り組んでいる生産量増加の計画並びにさらなる大口径化(12インチ)にかかる均一照射技術開発について説明する。

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