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論文

Preliminary characterization of plasma-sintered beryllides as advanced neutron multipliers

中道 勝; 金 宰煥; 宗像 健三*; 柴山 環樹*; 宮本 光貴*

Journal of Nuclear Materials, 442(1-3), p.S465 - S471, 2013/11

 被引用回数:8 パーセンタイル:59.34(Materials Science, Multidisciplinary)

Advanced neutron multipliers with low swelling and high stability at high temperature are desired for pebble bed blankets. Beryllium intermetallic compounds (beryllides) are the most promising advanced neutron multipliers. Development of advanced neutron multiplier has been started between Japan and the EU in the DEMO R&D of the International Fusion Energy Research Centre (IFERC) project as a part of the Broader Approach activities. The plasma sintering method has been selected as a new beryllides synthesis method. The plasma sintering results in starting powder particle surface activation that enhances sinterability and reduces high temperature exposure. The plasma sintering shows that the intermetallic compound beryllide such as Be$$_{12}$$Ti, Be$$_{17}$$Ti$$_{2}$$ and Be$$_{2}$$Ti can be directly synthesized from mixed elemental powders of Be and Ti at a temperature lower than the melting point. In this report, the preliminary characterization of plasma sintered Be-Ti beryllide was carried out such as reactivity with water vapor, microstructure analysis by ion irradiation effect and deuterium retention property compared with beryllium (Be) metal. From the result of the preliminary characterization, it revealed that plasma sintered Be-Ti beryllide sample has a good performance as a neutron multiplier. This beryllide sample has enough oxidation resistance, high radiation resistance and low deuterium retention property more than Be metal.

論文

Effect of cation exchange on hydrogen adsorption property of mordenite for isotope separation

河村 繕範; 岩井 保則; 宗像 健三*; 山西 敏彦

Journal of Nuclear Materials, 442(1-3), p.S455 - S460, 2013/11

 被引用回数:10 パーセンタイル:67.43(Materials Science, Multidisciplinary)

ゼオライトは容易にカチオンを交換し、結果として簡単に細孔径を変化させることができる。カチオン交換したモルデナイトは77K以上の温度でも比較的良い同位体分離ができたと報告されている。しかし、吸着量,吸着速度,カチオンの種類,交換比率の関係はまだ明らかにされていない。本研究ではNa-MORを出発物質としてアルカリ金属,アルカリ土類金属イオンでカチオンを交換た試料を作り、77K, 159K, 175K及び195KでのH$$_{2}$$及びD$$_{2}$$の吸着量を測定した。Li-MOR及びCa-MORの吸着量は低圧域でNa-MORより大きくなった。逆にK-MORでは小さくなった。K-MORは明らかに細孔径が小さくなっていた。アルカリ金属イオンで交換した場合、原子番号が小さい方が吸着量は大きくなるのかもしれない。

論文

Adsorption behavior of hydrogen and deuterium on natural mordenite adsorbents at 77 K

宗像 健三*; 河村 繕範

Fusion Science and Technology, 62(1), p.71 - 76, 2012/07

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.72(Nuclear Science & Technology)

低温吸着法は大量ヘリウム中の低濃度水素同位体の回収に有効である。したがって、核融合炉のブランケットスイープガスからのトリチウム回収や、ヘリウム放電洗浄排ガスからのトリチウム回収への適用が検討されている。より有効な吸着材の開発のために実施したスクリーニングテストの結果、天然モルデナイトが77Kにおいて、従来のMS5A等よりも水素同位体に対する大きな吸着容量を持つことがわかった。本研究では、実験で求めた破過曲線の解析により、77Kでの水素同位体の吸着速度を定量した。律速過程は細孔内拡散であり、評価した細孔内有効拡散係数はMS5Aより大きく、モルデナイトが大量ヘリウム中の低濃度水素同位体の回収に有望であることが示唆された。

論文

Adsorption behavior of hydrogen isotopes on mordenite adsorbents at 77K

宗像 健三*; 河村 繕範

Fusion Science and Technology, 60(1), p.426 - 430, 2011/07

 被引用回数:3 パーセンタイル:28.8(Nuclear Science & Technology)

低温吸着法はヘリウム中の低濃度水素同位体の回収に有効で、核融合炉トリチウム増殖ブランケットのスイープガスからのトリチウム回収への適用が検討されている。筆者らはヘリウム中の水素同位体回収により適した吸着材を求め、スクリーニングテストを行い、天然モルデナイトの吸着容量が大きいことを見いだした。そして、破過曲線解析から吸着速度を定量したところ、細孔内拡散速度がMS5Aとほぼ同等であることがわかった。これより、天然モルデナイトは吸着速度において、ヘリウム中の低濃度水素同位体の回収に適していることがわかった。

論文

Adsorption capacity of tritium on mordenite at low temperature

河村 繕範; 岩井 保則; 林 巧; 山西 敏彦; 宗像 健三*

Fusion Science and Technology, 56(1), p.168 - 172, 2009/07

 被引用回数:4 パーセンタイル:32.89(Nuclear Science & Technology)

合成ゼオライトは水素同位体分析用低温ガスクロマトグラフのカラム充填材候補である。モルデナイトはゼオライトの一種で、モルデナイトの分離カラムは200K付近で水素同位体を分離できると報告された。そこで筆者らはモルデナイトにおけるH$$_{2}$$及びD$$_{2}$$の吸着容量を調べ、平衡吸着量が2つのラングミュア式の和で表現できること、及びHD, HT, DT, T$$_{2}$$の吸着量の予測値を報告している。今回、77K及び87KでのモルデナイトにおけるT$$_{2}$$の平衡吸着量を定容法で求め、予測値と比較した。実測値は予測値とほぼ一致するが、77Kの低圧側ではT$$_{2}$$の吸着量が予想を下回った。T$$_{2}$$は実験ごとに金属ベッドから供給し実験後に金属ベッドに回収する。このとき、崩壊ヘリウムも放出されるが、崩壊ヘリウムは金属ベッドに再吸蔵されないので最終的には廃棄する。したがって、吸蔵放出を繰返すと試料ガス中の崩壊ヘリウムは減少していくことになる。77Kのデータは87Kのデータより先に取得したため、崩壊ヘリウムの影響が出た可能性がある。

論文

Development of advanced tritium breeders and neutron multipliers for DEMO solid breeder blankets

土谷 邦彦; 星野 毅; 河村 弘; 三島 良直*; 吉田 直亮*; 寺井 隆幸*; 田中 知*; 宗像 健三*; 加藤 茂*; 内田 宗範*; et al.

Nuclear Fusion, 47(9), p.1300 - 1306, 2007/09

 被引用回数:18 パーセンタイル:57.13(Physics, Fluids & Plasmas)

原型炉用増殖ブランケット開発の一環として、「高温・高照射環境に耐えうる先進トリチウム増殖材料及び中性子増倍材料」の開発における最近の成果を本論文にまとめた。トリチウム増殖材料については、少量(約1mol%)の酸化物(CaO等)を添加したチタン酸リチウム(Li$$_{2}$$TiO$$_{3}$$)に着目し、1000$$^{circ}$$Cまでの結晶粒成長の抑制が可能であること、熱伝導が無添加Li$$_{2}$$TiO$$_{3}$$と同程度であること、水素によるTiの還元を抑制が可能であること等が明らかになった。中性子増倍材料については、Be-Ti合金に着目し、1000$$^{circ}$$Cにおける比強度が約200MPaと高いこと、第1候補材料であるベリリウムに比べて、F82H鋼との両立性が良いこと、乾燥空気中1000$$^{circ}$$Cにおいても高い耐酸化特性を有していること、1%の水蒸気を含んだアルゴンガス雰囲気中における水素生成速度が1/1000以下になること、水素同位体のインベントリーが非常に小さいこと等を明らかにした。これらの知見により、少量の酸化物を添加したLi$$_{2}$$TiO$$_{3}$$,ベリリウム金属間化合物(Be$$_{12}$$Ti等)を含んだベリリウム合金の良好な特性が明らかになり、原型炉用増殖ブランケットの開発に明るい見通しを得た。

論文

Recent results on beryllium and beryllides in Japan

三島 良直*; 吉田 直亮*; 河村 弘; 石田 清仁*; 波多野 雄治*; 柴山 環樹*; 宗像 健三*; 佐藤 芳幸*; 内田 宗範*; 土谷 邦彦; et al.

Journal of Nuclear Materials, 367-370(2), p.1382 - 1386, 2007/08

 被引用回数:23 パーセンタイル:83.86(Materials Science, Multidisciplinary)

高い発電効率を目指した核融合原型炉ブランケットに必要な「高温・高照射量に耐えうる先進機能材料であるベリリウム金属間化合物の開発」を全日本規模の産学官連携で実施し、平成16$$sim$$17年度に得られた新たな結果と今後の研究開発計画についてまとめた。その結果、Be-Ti合金は既存の中性子増倍材料であるベリリウム金属と比較して、構造材料(F82H)等との両立性が良いこと、トリチウムインベントリーが小さいことなどの優れた特性を有することを明らかにした。

論文

Development of advanced tritium breeders and neutron multipliers for DEMO solid breeder blankets

土谷 邦彦; 星野 毅; 河村 弘; 三島 良直*; 吉田 直亮*; 寺井 隆幸*; 田中 知*; 宗像 健三*; 加藤 茂*; 内田 宗範*; et al.

Proceedings of 21st IAEA Fusion Energy Conference (FEC 2006) (CD-ROM), 8 Pages, 2007/03

原型炉用増殖ブランケットに必要な「高温・高照射環境に耐えうる先進トリチウム増殖材料及び中性子増倍材料」の開発を全日本規模の産学官連携のもとで実施した。それらの開発に関する最近の成果について報告する。トリチウム増殖材料に関しては、Li$$_{2}$$TiO$$_{3}$$に酸化物を添加した材料の開発を行い、少量(約1mol%)の酸化物(CaO等)を添加することで、水素を添加したスイープガス中でもTiの還元を抑制することができる材料の開発に成功した。中性子増倍材料に関しては、ベリリウム金属間化合物であるBe$$_{12}$$Tiに着目し、各種特性を定量的に評価し、比強度が高いこと、高い耐酸化特性を有していること、1%の水蒸気を含んだアルゴンガス雰囲気中における水素生成速度が1/1000以下になることなどを明らかにした。以上の知見により、原型炉用増殖ブランケットの開発に明るい見通しを得た。

論文

核融合炉ブランケットの先進中性子増倍材料としてのベリリウム金属間化合物の開発

土谷 邦彦; 河村 弘; 三島 良直*; 吉田 直亮*; 田中 知*; 内田 宗範*; 石田 清仁*; 柴山 環樹*; 宗像 健三*; 佐藤 芳幸*; et al.

プラズマ・核融合学会誌, 83(3), p.207 - 214, 2007/03

原型炉用増殖ブランケットに必要な「高温・高照射に耐えうる先進中性子増倍材料」の開発について、ベリリウム金属間化合物であるBe$$_{12}$$Ti等に着目し、各種特性(機械的特性,化学的特性,照射特性等)及び微小球製造技術開発を全日本規模の産学官連携のもとで実施している。この先進中性子増倍材料の開発における最近の成果について紹介する。

論文

Status of beryllium R&D in Japan

河村 弘; 土谷 邦彦; 三島 良直*; 吉田 直亮*; 宗像 健三*; 石田 清仁*; 波多野 雄治*; 柴山 環樹*; 佐藤 芳幸*; 内田 宗範*; et al.

INL/EXT-06-01222, p.1 - 7, 2006/02

高い発電効率を目指した原型炉用高温発電ブランケットに必要な「高温・高照射量に耐えうる先進的機能材料であるベリリウム金属間化合物開発」を全日本規模の産学官連携で実施し、平成16$$sim$$17年度に得られた新しい結果と今後の開発についてまとめた。その結果、Be$$_{12}$$Tiは既存のベリリウム金属と比較して、構造材料等との両立性が良いこと、スエリングが小さいこと、トリチウムインベントリが小さいことなどの優れた特性を有することを国内での産学官連携により明らかにした。

論文

Present status of beryllide R&D as neutron multiplier

河村 弘; 高橋 平七郎*; 吉田 直亮*; 三島 良直*; 石田 清仁*; 岩立 孝治*; Cardella, A.*; Van der Laan, J. G.*; 内田 宗範*; 宗像 健三*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 329-333(1), p.112 - 118, 2004/08

 被引用回数:29 パーセンタイル:86.95(Materials Science, Multidisciplinary)

ベリウム金属間化合物研究の現状と今後の研究計画について紹介する。ベリリウム金属間化合物が、微小球形状の中性子増倍材料として利用できるか否かを明らかにするため、低放射化性等の利点を有するBe$$_{12}$$Tiを用いた研究が1997年から日本で開始された。まず、回転電極法による微小球製造性に関しては、BeとTiの状態図研究から開始し、組成と組織の相関を明らかにした。それらの結果から、回転電極法で製造するために必要な電極棒の製造方法として、(1)$$alpha$$BeとBe$$_{12}$$Tiの固溶体を用いる方法と(2)Be$$_{12}$$TiとBe$$_{17}$$Ti$$_{2}$$の固溶体を用いる方法を選定し、(1)の方法により試作試験を行った。その結果、微小球が得られることが明らかになった。さらに、Be$$_{12}$$Tiの核的特性や各種特性評価を行った。それらの結果から、Be金属に比べて、トリチウムのインベントリーが小さく、構造材料やトリチウム増殖材料との両立性も優れており、水蒸気や空気中における化学反応性も小さいことが明らかになった。また、加速器を用いた照射損傷試験の結果、Be金属よりも照射損傷を受けにくいことが明らかになった。今後は、IEA国際協力の元、ヘリウムがベリリウム金属間化合物中に6000appm生成するまで中性子照射を行い、スエリング特性等を明らかにする予定である。

論文

Stability of titanium beryllide under water vapor

宗像 健三*; 河村 弘; 内田 宗範*

Journal of Nuclear Materials, 329-333(Part2), p.1357 - 1360, 2004/08

 被引用回数:10 パーセンタイル:58.07(Materials Science, Multidisciplinary)

先進中性子増倍材料として期待されているBe$$_{12}$$Tiについて、LOCA時の安定性に大きな影響を与える水蒸気との反応性について研究した。HIPで製作したBe$$_{12}$$Tiについて、反応管内において水蒸気を含むArガスを流入して1000$$^{circ}$$Cまで加熱して生成する水素ガス濃度を質量分析計により測定した。Be$$_{12}$$Tiは500$$^{circ}$$Cから水蒸気と反応を開始したが、その生成速度はBeに比べて10$$^{-3}$$以下であり、1000$$^{circ}$$CまでBeに典型的なブレークアウェイは観察されなかったことから、Be$$_{12}$$Tiは優れた水蒸気に対する安定性を有することを明らかにした。

論文

Study on reactivity of titanium beryllide with water vapor

宗像 健三*; 河村 弘; 内田 宗範*

JAERI-Conf 2004-006, p.210 - 215, 2004/03

核融合ブランケット用中性子増倍材料として検討されているBe$$_{12}$$Tiについて、安全性に影響を与える水蒸気反応性について評価した。Be$$_{12}$$Tiディスクは白金製メッシュで石英反応管内に保持された。水蒸気濃度を調整したArガスを流しながら1000$$^{circ}$$Cまで加熱を行い、生成する水素,酸素及び水蒸気の濃度を質量分析計で測定した。水蒸気との反応は500$$^{circ}$$Cで開始され、1000$$^{circ}$$Cで終了した。ベリリウム金属の水蒸気反応で観察されるブレークアウェイ現象は起こらず、水素の生成量も極めて小さかった。Be$$_{12}$$Tiは水蒸気との反応が小さく、安全性の観点からメリットがあると言える。

口頭

14MeV中性子及び熱中性子照射によりLi$$_{4}$$SiO$$_{4}$$中に生成した照射欠陥の消滅挙動

西川 祐介*; 小柳津 誠*; 須田 泰市*; 吉河 朗*; 篠崎 崇*; 宗像 健三*; 藤井 俊行*; 山名 元*; 高倉 耕祐; 落合 謙太郎; et al.

no journal, , 

Li$$_{4}$$SiO$$_{4}$$ペブルを用い、日本原子力研究開発機構の核融合中性子源施設(FNS)にて14MeV中性子照射を、京都大学原子炉実験所にて熱中性子照射を実施し、生成する照射欠陥の熱アニーリングによる消滅過程を速度論的に解明し、トリチウム放出過程と比較検討した。等温加熱アニーリング実験としての加熱を行った後、照射した試料を電子スピン共鳴(ESR)測定を行った。また熱中性子照射した試料に関して、等速昇温加熱実験によるトリチウム放出挙動を調べた。測定結果より、両照射試料において、酸素空孔に電子が1つ捕捉されたE'-センターを含む種々の欠陥が生成され、欠陥量は熱中性子照射試料の方が多いことがわかった。また熱中性子照射試料より14MeV中性子照射試料の方が生成した欠陥が速く消滅することが示唆された。さらに減衰曲線の形状から、照射欠陥の消滅挙動には速い過程と遅い過程の2つの過程が存在することが確認された。これら2つの過程の活性化エネルギーを算出した結果、14MeV中性子及び熱中性子照射試料の速い過程においてはそれぞれ、0.13eV, 0.12eVであり、ほぼ同じ値を示した。一方、遅い過程においてはそれぞれ、0.39eV, 0.56eVで明確な差が確認された。特に、遅い過程は酸素の拡散によるE'-センターの消滅の活性化エネルギーであり、その差は、酸素が拡散する際の、試料内における欠陥密度の差による障壁の差であると考えた。

口頭

Design of LPCE column for performance tests on tritium separation with TLK facility

杉山 貴彦*; 山西 敏彦; 宗像 健三*; 朝倉 大和*; 山本 一良*; Glugla, M.*

no journal, , 

独TLK施設にてトリチウム分離試験を行うLPCE塔の設計を行った。液流量,ガス流量,温度,圧力等実験条件は、名古屋大学での予備的試験により決定した。塔の内径は55mm、高さは2m、である。また塔の性能解析のために、段モデルによる計算コードを開発した。このコードでは、チャネリングの影響を考慮することができる。チャネリング係数は、充填部の軸方向混合拡散をあらわすものであり、塔内水流れのインパルス応答実験によって求めることができる。発表では、本コードによる解析により、触媒量,液/ガス流量比の分離性能に対する影響を評価する。

口頭

中性子増倍材候補としてのプラズマ焼結法で製造したBeとTiの金属間化合物と水蒸気の反応性試験

和田 考平; 宗像 健三*; 金 宰煥; 中村 彩乃*; 中道 勝

no journal, , 

核融合炉のブランケット開発を目的として、高温での安定性に優れたベリリウム金属間化合物(ベリライド)を中性子増倍材料とした研究を行っている。既存の中性子増倍材料である金属ベリリウムは、高温下においてスウェリングや水蒸気との反応による水素生成が問題となっている。そこで、プラズマ焼結法で製造したBeとTiの金属間化合物試料を水蒸気と反応させ、試料表面からの水素放出挙動を検討した。今回は、試料の温度を段階昇温させ、等速昇温における水素の放出挙動との違いを比較検討した。また、実験に供した試料の表面を、SEMやXRDの手法により分析した。

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