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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

Thermoelectric generation based on spin Seebeck effects

内田 健一*; 安立 裕人; 吉川 貴史*; 桐原 明宏*; 石田 真彦*; 萬 伸一*; 前川 禎通; 齊藤 英治*

Proceedings of the IEEE, 104(10), p.1946 - 1973, 2016/10

 被引用回数:118 パーセンタイル:0.71(Engineering, Electrical & Electronic)

The spin Seebeck effect (SSE) refers to the generation of a spin current as a result of a temperature gradient in magnetic materials including insulators. The SSE is applicable to thermoelectric generation because the thermally generated spin current can be converted into a charge current via spin-orbit interaction in conductive materials adjacent to the magnets. The insulator-based SSE device exhibits unconventional characteristics potentially useful for thermoelectric applications, such as simple structure, device-design exibility, and convenient scaling capability. In this article, we review recent studies on the SSE from the viewpoint of thermoelectric applications.

論文

Unconventional scaling and significant enhancement of the spin Seebeck effect in multilayers

Ramos, R.*; 吉川 貴史*; Aguirre, M.*; Lucas, I.*; Anad$'o$n, A.*; 小宅 教文*; 内田 健一*; 安立 裕人; 塩見 淳一郎*; Algarabel, P. A.*; et al.

Physical Review B, 92(22), p.220407_1 - 220407_5, 2015/12

 被引用回数:49 パーセンタイル:8.14(Materials Science, Multidisciplinary)

Spin Seebeck effects have been investigated in highly crystalline magnetic multilayer films. Voltage as well as power generated by the spin Seebeck effect were found to be significantly enhanced with increasing the number of layers, $$n$$. This voltage enhancement defies the simple understanding of the spin Seebeck effect and suggests that spin current flowing between the magnetic layers in the thickness direction plays an important role in the multilayer SSE systems and the observed voltage enhancement.

論文

Poly(ether ether ketone) (PEEK)-based graft-type polymer electrolyte membranes having high crystallinity for high conducting and mechanical properties under various humidified conditions

濱田 崇; 長谷川 伸; 深沢 秀行*; 澤田 真一; 越川 博; 宮下 敦巳; 前川 康成

Journal of Materials Chemistry A, 3(42), p.20983 - 20991, 2015/11

 被引用回数:20 パーセンタイル:32.32(Chemistry, Physical)

燃料電池の本格普及のため、低加湿下でのプロトン導電率と高加湿下での機械強度を併せ持つ電解質膜が不可欠である。本研究は、膜強度の高いポリ(エーテルエーテルケトン) (PEEK)に着目し、放射線グラフト重合により高いイオン交換容量(IEC)を有するPEEK-グラフト型電解質膜(PEEK-PEM)を合成することで、導電率と機械的強度の両立を目指した。IEC=3.08mmol/gのPEEK-PEMは、80$$^{circ}$$Cにおいて、低加湿下(相対湿度30%)でナフィオンと同等の導電率、高加湿下(相対湿度100%)で1.4倍の引張強度(14MPa)を示した。さらに、PEEK-PEM (IEC=2.45mmol/g)を用いて作製した燃料電池は、高加湿下(相対湿度100%)でナフィオンと同等、低加湿下(相対湿度30%)でナフィオンの2.5倍の最大出力密度を示した。X線回析からPEEK-PEMは、グラフト重合中、結晶性が増加するため、高いIECを持つPEEK-PEMにおいても、高い機械的強度を示すことが明らかとなった。

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:30.61

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

Development of Au-In-Cd decoupler by a Hot Isostatic Pressing (HIP) technique for short pulsed spallation neutron source

大井 元貴; 勅使河原 誠; 原田 正英; 直江 崇; 前川 藤夫; 春日井 好己

Journal of Nuclear Materials, 450(1-3), p.117 - 122, 2014/07

 被引用回数:3 パーセンタイル:68.51(Materials Science, Multidisciplinary)

大強度陽子加速器施設(J-PARC)の物質・生命科学実験施設(MLF)の中性子源では、短パルス中性子ビームを生成するために、デカップラーと呼ばれる中性子吸収材を使用している。従来のAg-In-Cdデカップラーは放射化量が高いという問題があり、われわれは次世代デカップラーとして放射化量の少ないAu-In-Cd合金の開発を行っている。これまでの開発においてAu-In-Cd合金の製造には成功した。デカップラーは冷却のためにアルミ合金製のモデレータ容器と接合することが必要である。本研究ではHIP接合によるアルミ合金とAu-In-Cd合金の接合試験を行った。HIP接合は、高温高圧により異種材料を接合するため、曲面で構成されるデカップラーの接合に適している。接合試験の結果、温度535$$^{circ}$$C,圧力100MPa,保持時間1時間の場合に、設計上必要な接合強度30MPaを上回る86.6MPaの接合強度が得られた。今回の結果では、接合部の拡散層が500$$mu$$mと広いため、今後はより最適な接合条件探しを行うとともに、Au-In-Cd合金接合材の中性子照射の影響について調べる。

論文

First-principles study of electronic and magnetic structures of CoFeB|Ta and CoFe|TaB heterostructures

濱田 智之*; 大野 隆央*; 前川 禎通

Molecular Physics, 113(3-4), p.314 - 318, 2014/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:90.08(Chemistry, Physical)

The electronic and magnetic structures of the CoFeB|Ta and CoFe|TaB heterostructures were investigated from first principles in an attempt to clarify the effect of the Ta layer on the energetic stability and magnetisation of the heterostructures, which are used in magnetic random access memory devices.

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:6 パーセンタイル:3.5

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

Energy resolution of pulsed neutron beam provided by the ANNRI beamline at the J-PARC/MLF

木野 幸一*; 古坂 道弘*; 平賀 富士夫*; 加美山 隆*; 鬼柳 善明*; 古高 和禎; 後神 進史*; 原 かおる; 原田 秀郎; 原田 正英; et al.

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 736, p.66 - 74, 2014/02

 被引用回数:18 パーセンタイル:10.85(Instruments & Instrumentation)

We studied the energy resolution of the pulsed neutron-beam of Accurate Neutron-Nucleus Reaction Measurement Instrument (ANNRI) at the Japan Proton Accelerator Research Complex/Materials and Life Science Experimental Facility (J-PARC/MLF). A simulation in the energy region from 0.7 meV to 1 MeV has been performed. Moreover, measurements have been done in the thermal and epithermal energies. The neutron energy resolution at ANNRI, which is determined by the time-of-flight technique, depends on the time structure of the neutron pulse. We obtained the neutron energy resolution as a function of the neutron energy by the simulation in the two operation modes of the neutron source: double and single bunch modes. In the double bunch mode, the resolution deteriorates above about 10 eV because the time structure of the neutron pulse splits into two peaks. The time structures at 13 energy points by measurements in the thermal energy region are in agreement with those of the simulation. In the epithermal energy region, the time structures at 17 energy points were obtained by measurements. The FWHM values of the time structures by the simulation and measurements are almost consistent. In the single bunch mode, the energy resolution is better than about 1% between 1 meV and 10 keV at the neutron source operation of 17.5 kW.

論文

A Novel ultrasonic evaluation process for cavitation damage by combination of attenuation and higher harmonics

Wan, T.; 涌井 隆; 直江 崇; 二川 正敏; 前川 克寛*; Wan, T.*

実験力学, 13(4), p.387 - 394, 2013/12

J-PARCの1MW中性子源として、物質・生命科学実験施設に、水銀ターゲット容器が設置されている。陽子ビームが水銀ターゲット容器に入射することにより、水銀ターゲット容器の内壁面にキャビテーション損傷が生じる。水銀ターゲット容器の構造健全性や寿命の評価の観点から、キャビテーション損傷を非破壊的に評価することは重要である。本研究では、非線形超音波法を用いて、キャビテーション損傷の評価を試みた。電磁衝撃力負荷装置を用いて、キャビテーション損傷を与えた試験片を作成し、非線形超音波画像法により損傷を評価した。損傷面とは逆の面から、超音波の送受信を行い、損傷面から反射した超音波波形における減衰率と高調波に着目し、波形に及ぼす損傷の影響を明らかにした。そして、その結果を基に、キャビテーション損傷を評価する新たな手順を考案した。本手法をキャビテーション損傷材に適用した結果、最小約25$$mu$$mの損傷を検知することができることが分かった。

論文

Separation of longitudinal spin Seebeck effect from anomalous Nernst effect; Determination of origin of transverse thermoelectric voltage in metal/insulator junctions

吉川 貴史*; 内田 健一*; 大門 俊介*; 塩見 雄毅*; 安立 裕人; Qiu, Z.*; Hou, D.*; Jin, X.-F.*; 前川 禎通; 齊藤 英治

Physical Review B, 88(21), p.214403_1 - 214403_11, 2013/12

 被引用回数:89 パーセンタイル:3.81(Materials Science, Multidisciplinary)

The longitudinal spin Seebeck effect and the anomalous Nernst effect are investigated in various metal/insulator junction systems, and the clear separation of the longitudinal spin Seebeck effect from the anomalous Nernst effect induced by static magnetic proximity is demonstrated. It is shown that, in Pt/Y$$_{3}$$Fe$$_{5}$$O$$_{12}$$ samples, the longitudinal spin Seebeck effect is three orders of magnitude greater than the proximity-driven anomalous Nernst effect.

論文

Polymerization mechanism for radiation-induced grafting of styrene into Alicyclic polyimide films for preparation of polymer electrolyte membranes

Park, J.; 榎本 一之; 山下 俊*; 高木 康行*; 戸高 勝則*; 前川 康成

Journal of Membrane Science, 438, p.1 - 7, 2013/07

 被引用回数:12 パーセンタイル:51.33(Engineering, Chemical)

芳香族ポリイミド膜と同等の耐熱性,機械特性を示す脂環式ポリイミド膜(A-PI膜)への放射線グラフト重合による燃料電池用電解質膜の作製とそのグラフト重合機構の解析を試みた。芳香族ポリイミドが放射線グラフト重合性を示さないのに対し、その一部を脂環式構造に置換したA-PI膜は放射線グラフト重合性を示した。得られたグラフト膜をスルホン化することで、ナフィオンより高いイオン伝導度と機械・熱的安定性を示す電解質膜が作製できた。照射A-PI膜の紫外・可視光分光(UV-VIS)スペクトルより、420, 600nmに吸収極大を持つ長寿命中間体の存在が確認できた。UV-VISスペクトルの減衰と電子スピン共鳴によるラジカルの減衰の比較から、この中間体が脂環式部位に生じたアルキルラジカルであり、A-PI膜の放射線グラフト重合における開始部位であることが確定できた。

論文

Implementation of the DFT+U method and constrained DFT calculations for $$U$$ and $$J$$ within a Pseudopotential formalism; Application to FeO and LaVO$$_{3}$$

濱田 智之*; 大野 隆央*; 前川 禎通

Journal of the Korean Physical Society, 62(12), p.2155 - 2159, 2013/06

 被引用回数:1 パーセンタイル:86.6(Physics, Multidisciplinary)

A first-principles density theory (DFT)+U method based on the pseudopotential (PP) method was developled to enable $$a$$ - $$priori$$ prediction of electronic structures of strongly-correlated electronic structures (SCES) systems. The method determines the radius of the localized electron orbitals of a SCES system and the Hubbard parameteres ${it U}$ and ${it J}$ for the electrons and calculates the electronic structure of the system by using the rotationally-invariant DFT + U method and using the determined radius and parameters. The electronic structure of FeO in the anti-ferromagnetic state was calculated by using the method, and the method could describe the electronic structure of FeO correctly, producing an insulating ground state for FeO with an indirect band gap of 1.88 eV.

論文

Neutron resonance imaging of a Au-In-Cd alloy for the JSNS

大井 元貴; 勅使河原 誠; 甲斐 哲也; 原田 正英; 前川 藤夫; 二川 正敏; 橋本 英子*; 瀬川 麻里子; 呉田 昌俊; Tremsin, A.*; et al.

Physics Procedia, 43, p.337 - 342, 2013/04

 被引用回数:6 パーセンタイル:6.97

JSNSの新しいデカップラー材料として、Au-In-Cd合金が提案されている。本研究に先立ち、Au-In-Cd合金の製造を行い、予定通りの組成の合金製造に成功した。製造した合金組成は金74.9%、インジウム0.5%、カドミウム24.6%である。本研究では、中性子の共鳴吸収イメージングにより、製造した材料内の元素分布を測定し、各元素が合金内に均一に分布していることを確認する。カメラ型システムと、MCP検出器を用いることで、測定方法を検証する。結果として、中性子共鳴吸収を利用することで、合金内の元素を区別した透過画像を取得でき、元素分布が均一であることを確認した。

論文

Observation of the spin Seebeck effect in epitaxial Fe$$_{3}$$O$$_{4}$$ thin films

Ramos, R.*; 吉川 貴史*; 内田 健一*; 安立 裕人; Lucas, I.*; Aguirre, M.*; Algarabel, P.*; Morell$'o$n, L.*; 前川 禎通; 齊藤 英治; et al.

Applied Physics Letters, 102(7), p.072413_1 - 072413_5, 2013/02

 被引用回数:120 パーセンタイル:2.5(Physics, Applied)

We report the experimental observation of the spin Seebeck effect in magnetite thin films. The signal observed at temperatures above the Verwey transition is a contribution from both the anomalous Nernst (ANE) and spin Seebeck (SSE) effects. The contribution from the ANE of the Fe$$_{3}$$O$$_{4}$$ layer to the SSE is found to be negligible due to the resistivity difference between Fe$$_{3}$$O$$_{4}$$ and Pt layers. Below the Verwey transition, the SSE is free from the ANE of the ferromagnetic layer and it is also found to dominate over the ANE due to magnetic proximity effect on the Pt layer.

論文

Development status of low activation ternary Au-In-Cd alloy decoupler for a MW class spallation neutron source; 1st production of Au-In-Cd alloy

大井 元貴; 勅使河原 誠; 涌井 隆; 西 剛史; 原田 正英; 前川 藤夫; 二川 正敏

Journal of Nuclear Materials, 431(1-3), p.218 - 223, 2012/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:48.66(Materials Science, Multidisciplinary)

J-PARCには、1MW核破砕中性子源が建設され、Ag-In-Cd合金がデカップラー材料(中性子吸収材)として使用されている。JSNSはAg-In-Cd合金を採用することで、MW級の核破砕中性子源として1eVのデカップリングエネルギーを実現している。しかしながらAg-In-Cdデカップラーは、中性子特性は優れているが、銀の中性子反応で生成する核種の線量が高いというデメリットがある。この問題を解決するために、Au-In-Cd合金が提案された。本研究では、Au-In-Cd合金を金の融点以下の温度で実際に作成することに成功した。また、作成したAu-In-Cd合金がデカップラーとして使用できることを確認するために、元素分布測定,熱伝達率測定を行った結果について報告する。

報告書

核破砕中性子源使用済み機器の保守; モデレータ・反射体,陽子ビーム窓

勅使河原 誠; 木下 秀孝; 涌井 隆; 明午 伸一郎; 関 正和; 原田 正英; 伊藤 学; 鈴木 徹; 池崎 清美; 前川 藤夫; et al.

JAEA-Technology 2012-024, 303 Pages, 2012/07

JAEA-Technology-2012-024.pdf:46.04MB

J-PARC構成施設のひとつ核破砕中性子源である物質・生命科学実験施設(MLF)では、中性子を発生するため3GeVまで加速された陽子ビームが、水銀ターゲットに入射する。高エネルギーの陽子や中性子に晒された機器(ターゲット容器,モデレータ,反射体及び陽子ビーム窓)は、照射損傷を受けるため、定期的な交換保守を必要とする。使用済み機器は高度に放射化され、遠隔による交換保守が必要となる。使用済みの機器の交換保守が行える保守シナリオを構築し、必要な設備をホットセル内及びMLF内に導入した。保守シナリオの整合性を確認するため実機を用いて予備試験を行った。本報告書では、使用済み機器(モデレータ・反射体,陽子ビーム窓を対象)について、予備試験を通して得られた知見をもとに、使用済み機器の取り扱いに反映することを目的とし、交換保守に関する問題点と解決策等を報告する。

報告書

J-PARC MLF使用済放射化機器保管計画検討結果

木下 秀孝; 涌井 隆; 松井 寛樹; 前川 藤夫; 春日井 好己; 羽賀 勝洋; 勅使河原 誠; 明午 伸一郎; 関 正和; 坂元 眞一; et al.

JAEA-Technology 2011-040, 154 Pages, 2012/03

JAEA-Technology-2011-040.pdf:8.08MB

物質・生命科学実験施設(MLF)で発生する放射化機器については、高度に放射化しているものが多く、簡易な保管設備では保管できない。これまで、MLFの放射化物を対象として、原子力科学研究所内施設を利用した保管についての検討を行ってきたが、具体的な実施計画等の立案には至っていない。本報告では、MLFで発生する機器の概要や保管計画検討の経緯,現状での放射化機器発生予定,保管予定施設の状況についてまとめた。放射化機器の発生予定と保管予定施設(ホットラボ)の計画を照らし合わせた結果、双方の計画には隔たりがあることがわかった。また、ホットラボにおいて、現在の建物の状態や保管設備として利用するために必要な改修に関してコスト評価を行った結果、ホットラボを利用することに新規施設の建設と比較して優位性を見いだせないと結論できた。このため、新規施設建設に向けた検討を早急に行うこととした。

報告書

東日本大地震のJ-PARC中性子源ステーションに対する影響

酒井 健二; 坂元 眞一; 木下 秀孝; 関 正和; 羽賀 勝洋; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; 春日井 好己; 達本 衡輝; et al.

JAEA-Technology 2011-039, 121 Pages, 2012/03

JAEA-Technology-2011-039.pdf:10.87MB

本報告では、東日本大震災の発生時におけるJ-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)の中性子源ステーションの挙動,被害,復旧状況を調査し、本ステーションの緊急事態に対する安全設計について検証する。大震災発生時、MLFでは、幾つかの機器で大きな揺れを検知した後、外部電源が喪失し、全循環システムが自動停止した。水素は設計通り屋外に放出され、機器異常による水銀,水素,放射性ガスの漏えいも生じなかった。一方、激しい揺れは、遮蔽体ブロックのずれ、建屋周辺の地盤沈下による外部供給配管の破断を引き起こした。この配管破断による圧縮空気の圧力低下は、水銀ターゲット台車固定装置などに影響を及ぼしたが、主要機器の大きな破損までは至らなかった。これらの結果は、本ステーションの緊急事態に対する安全設計の妥当性を実証できたとともに、幾つかの改善点も見いだされた。

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