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論文

Study on fracture behavior of 2D-C/C composite for application to control rod of very high temperature reactor

角田 淳弥; 藤田 一郎; 柴田 大受; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治*; 沢 和弘; Kim, W. J.*; Park, J. Y.*

IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 18(16), p.162010_1 - 162010_4, 2011/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:52.96

炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)は、その強度及び耐熱性が優れていることからVHTR制御棒要素の候補材の一つである。C/Cコンポジットの亀裂進展は複雑なので、その破壊挙動はC/Cコンポジット製制御棒の設計において最も重要な課題の一つである。本研究では、炭素繊維とマトリックスの層構造である2次元C/Cコンポジットについて、モードII破壊特性を評価するため、酸化させた端面切欠き試験片を用いて曲げ試験を実施した。その結果、層間破壊靱性値は酸化率が大きくなるにつれて減少した。これは、破壊靱性がマトリックスの酸化によって減少したことによるもので、その減少率はマトリックスのタイプに依存することがわかった。また、亀裂は繊維束間で発生し、繊維を断裂させることなく繊維束間に沿って成長することがわかった。繊維とマトリックス間で発生した亀裂は、繊維束間の層間ボイドに集まり、その後マトリックスを通って成長すると考えられる。

論文

2次元C/C複合材料の超高温ガス炉への応用のための特性評価

柴田 大受; 角田 淳弥; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治*; 沢 和弘; Kim, W. J.*; Jung, C. H.*; Park, J. Y.*

日本機械学会論文集,A, 76(764), p.383 - 385, 2010/04

日本原子力研究開発機構では、1000$$^{circ}$$C近い高温のガスを炉外に取り出すことができる超高温ガス炉(VHTR)の研究開発を進めており、高効率発電や水素製造への利用が可能である。VHTRの炉内構造物には、金属に代わる耐熱性に優れた耐熱セラミックス複合材料を開発することが重要であり、炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材料)は候補材料の一つであるが、炉内構造物への応用のためには、その破壊挙動を明らかにしておく必要がある。本研究では、二次元(2D-)C/C複合材料についてSENB試験片により破壊特性を評価し、以下の結果を得た。(1)3つの銘柄の2D-C/C複合材料について、金属材料の評価式を適用して応力拡大係数を評価することを試み、今回の試験体系で材料ごとの破壊特性を評価することができる見通しを得た。(2)荷重-開口変位量曲線において、き裂の進展だけではなく層間はく離の効果が含まれていることを確認した。今後、定量評価を行う予定である。

論文

Research and developments on C/C composite for Very High Temperature Reactor (VHTR) application

柴田 大受; 角田 淳弥; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治; 沢 和弘

Ceramics in Nuclear Applications, Vol.30, Issue 10, p.19 - 32, 2009/11

日本原子力研究開発機構(JAEA)では、超高温ガス炉(VHTR)の研究開発を進めている。VHTRの炉内構造物は高温工学試験研究炉(HTTR)よりも厳しい条件で使用されるため、耐熱性に優れたセラミックス複合材料の開発が重要である。C/C複合材料及びSiC/SiC複合材料は、これまでの金属材料製の制御棒に代わる有力な候補材料である。JAEAはこれら複合材料の制御棒への応用について、(1)データベース確立、(2)設計、(3)HTTRにおける実証、の流れに沿って研究開発を進めている。本論文は、これらの研究開発計画について述べたものであり、成果の一つとして、黒鉛化処理を施したC/C複合材料については、黒鉛と同様の照射挙動であり、これまでに蓄積した黒鉛の照射データベースが利用できることを示した。また、HTTRでは大型構造物の照射試験が可能であり、複合材料製の制御棒開発の最終段階で必要となる実証試験を行うことができる。

報告書

超高温ガス炉用炭素複合材料の照射による特性変化の測定; 寸法,熱膨張率,弾性率

高木 俊*; 牧田 太陽*; 國本 英治; 柴田 大受; 沢 和弘

JAEA-Technology 2008-094, 22 Pages, 2009/03

JAEA-Technology-2008-094.pdf:5.49MB

高温ガス炉の性能及び安全性を向上させる手段として、金属に替わるより高温で使用できる耐熱性材料の炉内構造物への使用が望まれている。高温に耐え得る材料の一つとして、炭素繊維強化型炭素複合材料(C/Cコンポジット)が有望な材料であり、超高温ガス炉(VHTR)においても制御棒等炉内構造物へのC/Cコンポジットの採用が検討されている。本報告は、材料試験炉(JMTR)において03M-47ASキャプセルで照射されたC/Cコンポジットの照射による特性変化として照射後試験で実測した照射誘起寸法変化,熱膨張率,弾性率についてまとめたものである。

口頭

VHTR応用に向けたC/C複合材料の特性評価; 試験条件の選定

柴田 大受; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治; 沢 和弘

no journal, , 

超高温ガス炉(VHTR)の制御棒の被覆管には、金属に代わり、より高温で使用できる炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材料)が有望な材料である。2次元C/C複合材料(2D-C/C)は炭素繊維を積層させた構造であり、構造物としての応用には繊維方向と積層方向との異方性を考慮した評価が必要である。また、酸化により特性が低下するので、耐酸化特性の把握が重要である。原子力機構(JAEA)では、これら特性評価を進めており、新たに韓国原子力研究所(KAERI)との共同研究を開始した。試験対象の2D-C/Cは、日本の3社が製造する3銘柄であり、破壊靭性、強度(引張り, 曲げ, せん断)、熱伝導率、ヤング率について、酸化の影響を評価する予定である。原子力機構は破壊靭性試験を、KAERIは酸化試験及びその他の特性試験を実施する。破壊靭性の予備試験を実施した結果、試験片のジグとの接触面からの破壊を防止するため3点曲げより4点曲げ試験が有効であること、ノッチ部からのき裂と他の箇所の層間せん断の影響を分離する必要があることを明らかにした。

口頭

2次元C/C複合材料の超高温ガス炉への応用のための特性評価

柴田 大受; 角田 淳弥; 牧田 太陽*; 高木 俊*; 國本 英治; 沢 和弘; Park, Y.*; Kim, W. J.*; Jung, C. H.*

no journal, , 

日本原子力研究開発機構では、1000$$^{circ}$$C近い高温のガスを炉外に取り出すことができる超高温ガス炉(VHTR)の研究開発を進めており、高効率発電や水素製造への利用が可能である。VHTRの炉内構造物には、金属に代わる耐熱性に優れた耐熱セラミックス複合材料を開発することが重要であり、炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材料)は候補材料の一つであるが、炉内構造物への応用のためには、その破壊挙動を明らかにしておく必要がある。本研究では、二次元(2D-)C/C複合材料についてSENB試験片により破壊特性を評価し、以下の結果を得た。(1)金属材料の評価式から求めた3つの銘柄の2D-C/C複合材料の応力拡大係数は8から15MPa m$$^{1/2}$$であり、今回の試験体系で材料ごとの破壊特性を評価できる見通しを得た。(2)荷重-開口変位量曲線において、き裂の進展だけではなく層間はく離の効果が含まれていることを確認した。今後、定量評価を行う予定である。

口頭

Development of an FEM code for VHTR control rod of C/C composite

柴田 大受; 牧田 太陽*; 角田 淳弥; 高木 俊*; 藤田 一郎; 國本 英治*; 沢 和弘

no journal, , 

耐熱性を有する炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材料)は、超高温ガス炉(VHTR)の制御棒への応用が期待される材料であり、特に2次元(2D-)C/C複合材料の適用に注目している。2D-C/C複合材料は、繊維とマトリックスからなる層が積層した構造をしており、熱・機械的特性が層の面内方向とそれに垂直方向とで大きく異なるため、構造物の設計にはこれを適切に考慮することが重要である。また、材料特性への中性子照射効果も異方性を有するので、異方性を考慮することが重要である。そこで、2D-C/C複合材料を制御棒に適用するため、これらの異方性を考慮することのできるFEMコードを開発した。本件は、コード開発の概要について発表するものである。

口頭

Irradiation-induced property change of C/C composite for application of control rod elements of very high-temperature reactor (VHTR)

柴田 大受; 角田 淳弥; 高木 俊*; 牧田 太陽*; 藤田 一郎; 沢 和弘

no journal, , 

第4世代原子炉の原子炉の一つとして、国際的に超高温ガス炉(VHTR)の研究が進められている。VHTRの炉内材料は高温で使用されるため、炉内の金属材料にかわるセラミックス複合材料を開発することが重要である。日本原子力研究開発機構(JAEA)では、2次元(2D-)C/C複合材料をVHTRの制御棒に用いるための研究を行っている。本研究では、2800$$^{circ}$$Cで黒鉛化処理を施した2D-C/C複合材料であるCX-270Gを用いて、JMTRで600$$^{circ}$$Cの温度で高速中性子照射量8.2$$times$$10$$^{24}$$n/m$$^{2}$$(E$$>$$1.0MeV)、1.2dpa相当まで照射試験を実施し、CX-270Gの寸法,熱伝導率,熱膨張係数,ヤング率への照射効果について、IG-110黒鉛の照射効果をもとに評価を行った。その結果、黒鉛化処理を施したC/C複合材料については、その照射効果の評価において、黒鉛の照射効果についてのデータベースを活用できることを示した。

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