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報告書

幌延深地層研究センターの地下施設における坑道安定性の長期モニタリング

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 宮良 信勝; 杉田 裕

JAEA-Research 2020-004, 68 Pages, 2020/06

JAEA-Research-2020-004.pdf:6.4MB
JAEA-Research-2020-004-appendix1(DVD-ROM).zip:636.84MB
JAEA-Research-2020-004-appendix2(DVD-ROM).zip:457.72MB
JAEA-Research-2020-004-appendix3(DVD-ROM).zip:595.19MB

本報告書では、数km$$times$$数kmにわたる広大な範囲で施工される高レベル放射性廃棄物の地層処分場の建設の視点で、数十年にわたり長期的かつ効率的に坑道安定性をモニタリングする技術の検証を目的として、幌延深地層研究センターに設置した支保工応力計および岩盤応力計のデータを分析した。具体的には、幌延深地層研究センターの水平坑道および立坑掘削時の力学的安定性のモニタリングのために設置した光ファイバー式および従来型の電気式の計測器のデータ取得可能期間(耐久性)を分析し、長期的な岩盤および支保工のモニタリングに適した手法について検討した。結果として、幌延のような坑道掘削による変形は大きいが湧水は少ない環境においては、岩盤変位の計測には光ファイバー式の変位計の設置が適しており、コンクリート中に埋設されるコンクリート応力計や鋼製支保工応力計といった計測器については、従来型の電気式のものでも長期的な耐久性が見込めることを示した。さらに、断層部を対象とした計測では、350m東周回坑道の計測断面において、吹付けコンクリートおよび鋼製支保工応力が、ひび割れ等の発生により耐久性が損なわれる状態に相当する使用限界と定義された基準値を超過していた。しかしながら、現時点ではクラック発生等の変状は認められなかったことから、定期的な目視点検等を実施すべきであると提案した。それ以外の計測断面については、断層部付近において一部注意を要する値を逸脱する計測値はあったものの、施工時に壁面の崩落が著しかった領域や、立坑と水平坑道の取り付け部付近では、坑道は安定した構造を保っていると判断した。

報告書

幌延深地層研究計画における地下施設での調査研究段階; (第3段階: 必須の課題2015-2019年度)研究成果報告書

中山 雅; 雑賀 敦; 木村 駿; 望月 陽人; 青柳 和平; 大野 宏和; 宮川 和也; 武田 匡樹; 早野 明; 松岡 稔幸; et al.

JAEA-Research 2019-013, 276 Pages, 2020/03

JAEA-Research-2019-013.pdf:18.72MB

幌延深地層研究計画は、日本原子力研究開発機構(原子力機構)が堆積岩を対象に北海道幌延町で実施している地層処分技術に関する研究開発の計画である。幌延深地層研究計画は、「地上からの調査研究段階(第1段階)」、「坑道掘削(地下施設建設)時の調査研究段階(第2段階)」、「地下施設での調査研究段階(第3段階)」の3つの調査研究段階に分けて進めている。原子力機構の第3期中長期計画では、本計画について、「実際の地質環境における人工バリアの適用性確認、処分概念オプションの実証、地殻変動に対する堆積岩の緩衝能力の検証に重点的に取り組む。また、平成31年度末までに研究終了までの工程やその後の埋戻しについて決定する。」としている。本稿では、第3期中長期計画期間のうち、平成27年度から令和1年度までの地下施設での調査研究段階(第3段階)における調査研究のうち、原子力機構改革の中で必須の課題として抽出した(1)実際の地質環境における人工バリアの適用性確認、(2)処分概念オプションの実証、(3)地殻変動に対する堆積岩の緩衝能力の検証、の3つの研究開発課題について実施した調査研究の成果を取りまとめた。

報告書

幌延深地層研究センターにおける掘削損傷領域の可視化手法の検討,2 (共同研究)

青柳 和平; Chen, Y.*; 石井 英一; 櫻井 彰孝; 宮良 信勝; 石田 毅*

JAEA-Research 2019-011, 50 Pages, 2020/03

JAEA-Research-2019-011.pdf:3.48MB

本研究では、坑道掘削により周辺岩盤に形成された掘削損傷領域の割れ目の可視化を行うことを目的とした。幌延深地層研究センターの地下350mに掘削した直径4mの試験坑道を対象として、紫外線照射により発光する蛍光剤を添加した樹脂を坑道周辺の岩盤に注入し、掘削損傷領域の割れ目を固定した。これにより、割れ目を可視化して観察することに成功した。注入孔周辺で試料を採取し、紫外線照射下で観察を行い、割れ目の連結性や開口幅を分析した。結果として、割れ目の最大発達範囲は、孔口から約0.9m、すなわち坑道壁面岩盤から約0.75mの範囲であった。また、孔口から0.4mまでの範囲では割れ目密度が高く、0.4m以深では割れ目の間隔が広くなることがわかった。さらに、割れ目の開口幅を測定した結果、孔口から近いほど割れ目の開口幅も大きいことがわかった。特に、孔口から0.3mまでの範囲では、樹脂が浸透した割れ目が多く観察され、開口幅が最大で1.02mmであった。一方、孔口から0.3m以深は、樹脂が浸透した割れ目が少なく、開口幅は最大で0.19mmであった。

論文

Visualization of fractures induced around the gallery wall in Horonobe Underground Research Laboratory

青柳 和平; Chen, Y.*; 石井 英一; 櫻井 彰孝; 石田 毅*

Proceedings of 5th ISRM Young Scholars' Symposium on Rock Mechanics and International Symposium on Rock Engineering for Innovative Future (YSRM 2019 and REIF 2019) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2019/12

本研究では、幌延深地層研究センターの350m調査坑道を対象として、坑道掘削時の割れ目の性状を検討することを目的とした。検討に際し、坑道周辺に約1mのボーリング孔を掘削し、低粘性な樹脂を注入し、割れ目を固定した。その後、オーバーコアリング試料を採取し、試料の観察を行った。結果として、坑道掘削により形成されたと推定される割れ目は、壁面から0.8mの範囲まで発達していた。また、割れ目は壁面から0.25mの範囲において連結しあっており、開口幅は最大で約1.0mmであることがわかった。これらの観察結果は、坑道周辺の掘削影響領域の割れ目形成プロセスの理解のための基礎情報として有用であるといえる。

論文

坑道掘削後の岩盤や支保工の長期挙動計測手法の検討; 幌延深地層研究センターにおける事例

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 宮良 信勝; 杉田 裕; 棚井 憲治

資源・素材講演集(インターネット), 6(2), 7 Pages, 2019/09

高レベル放射性廃棄物の地層処分場に代表される大規模な地下空洞の掘削後の維持管理段階では、支保工の変状等に適切に対応できるようにするため、岩盤や支保工の変形を長期的にモニタリングする技術の確立が重要である。本研究では、北海道幌延町に位置する幌延深地層研究センターの立坑および水平坑道に設置した、光ファイバー式および従来型の電気式の計測機器のデータ取得可能期間(耐久性)を統計的に分析した。また、計測結果を基に坑道周辺の岩盤変位や支保工に作用する応力の経時変化を分析した。耐久性に関しては、従来型の電気式コンクリート応力計および鋼製支保工応力計は、設置後約10年経過した時点で8割以上の計測器でデータ取得が可能であった。一方、岩盤中に設置した従来型の電気式変位計は、設置後約6年経過した時点で約6割の計測器で絶縁抵抗不良により計測が困難となった。これに対して、光ファイバー式変位計は、立坑掘削直後に最大で4mm程度の圧縮変位が生じた後、5年間で約1mmの圧縮変位が生じ、5$$sim$$10年経過後は、変位増大は収束する傾向が確認され、掘削後約10年間にわたってノイズが少なく安定した計測値が得られることを確認した。

論文

幌延深地層研究センターの立坑掘削損傷領域の水理・力学的挙動に関する研究

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 棚井 憲治

第46回岩盤力学に関するシンポジウム講演集(CD-ROM), p.142 - 147, 2019/01

本研究では、堆積軟岩を対象とする幌延深地層研究センターの深度350m以深の立坑掘削を対象として、掘削時に発達する掘削損傷領域の水理・力学特性について、原位置透水試験、AE測定と水理・力学連成解析の実施結果に基づいて論じた。原位置試験の結果、立坑壁面から約1.5mの範囲でAE震源が分布しており、それを内包する領域における透水係数は、割れ目の発達していない領域に比べて2-4オーダー高かった。一方、解析では、壁面から最大1.5m程度まで破壊が生じる結果となり、原位置試験により推定される幅に概ね整合する結果を得た。また、立坑掘進時に計測された壁面周辺における間隙水圧値の増大は、掘削による応力集中の影響によるものであると推定された。

報告書

幌延深地層研究センターにおける掘削損傷領域の可視化手法の検討(共同研究)

青柳 和平; Chen, Y.*; 櫻井 彰孝; 石井 英一; 石田 毅*

JAEA-Research 2017-014, 49 Pages, 2018/01

JAEA-Research-2017-014.pdf:16.29MB

本研究では、坑道掘削により周辺岩盤に形成された掘削損傷領域の割れ目の三次元的な可視化を行うことを目的として、幌延深地層研究センターの地下350mの調査坑道を対象として、樹脂を坑道周辺の岩盤に注入し、掘削損傷領域の割れ目を固定し、紫外線照射下の観察により割れ目の連結性や開口幅の検討を行った。原位置における樹脂の注入に際しては、粘性が低く紫外線照射によって発光する樹脂を開発して坑道周辺岩盤へ圧入した。その結果、割れ目の状態を乱すことなく、坑道周辺に形成された割れ目へ樹脂を浸透させ、固定させることに成功した。さらに、割れ目への固定の後に、注入孔周辺をオーバーコアリングし、孔壁面及び得られたコア表面を紫外線照射下で観察した。観察の結果、割れ目は孔口から約0.9mの範囲まで発達していた。また、孔口から約0.3mまでは、複数本の割れ目が交差しており、開口幅は1-2mm程度であったのに対し、孔口から0.3-0.9mに分布する割れ目は単独で存在し、開口幅は1mmよりも小さいことがわかった。一方、ボアホールテレビューア観察では、孔口から0.2mまでの明瞭に開口した割れ目しか検出されていないことから、カメラの分解能の影響で開口幅の小さい割れ目を検出することが難しいため、割れ目の発達の範囲を過小評価する可能性があることがわかった。

報告書

幌延深地層研究センターの350m周回坑道(東)における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2016-022, 91 Pages, 2017/03

JAEA-Data-Code-2016-022.pdf:7.3MB
JAEA-Data-Code-2016-022-appendix(CD-ROM).zip:232.99MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握することを目的として、350m周回坑道(東)にて水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。掘削方向の異なるボーリング孔3孔において、合計26深度で、コンプライアンスCの小さい高剛性水圧破砕試験装置を用いた水圧破砕法により初期地圧測定をおこなった。23深度で観測されたき裂に作用する法線応力、11深度で生じた縦き裂の開口圧および2深度で生じた縦き裂の初生する位置に関する観測方程式を用いて、深度350m周回坑道(東)の初期地圧を評価した。その結果、最大主応力は岩石の密度を17kN/m$$^{3}$$と見積もって求められる深度350mの土被り圧約6.0MPaと比較して、大幅に小さい値である3.73MPaであり、鉛直方向に近い方位であった。また、応力環境は正断層型であった。ただし、主応力の確率誤差を考慮するとそれらの方位は入れ替わる可能性があった。

報告書

幌延深地層研究計画; 平成26年度地下施設計測データ集

櫻井 彰孝; 青柳 和平

JAEA-Data/Code 2016-003, 84 Pages, 2016/07

JAEA-Data-Code-2016-003.pdf:6.42MB
JAEA-Data-Code-2016-003-appendix(DVD-ROM).zip:184.29MB

幌延深地層研究計画は、「深地層の科学的研究」と「地層処分研究開発」を、第1段階「地上からの調査研究段階」、第2段階「坑道掘削時の調査研究段階」、第3段階「地下施設での調査研究段階」の3段階に区分し20年程度をかけ進めることとしている。第1段階の調査研究は、平成13年3月から平成18年3月までの約5年間にわたり実施し、坑道掘削前の深部地質環境の把握とともに、地下施設の設計・施工計画を策定し、第2段階以降における調査研究の課題を具体化した。第2段階は、第1段階の調査結果に基づき、安全かつ合理的な坑道建設のための計測、坑道の設計・施工技術の高度化に向けた研究開発のための計測、掘削前に予測した深部地質環境モデルを検証するための計測についての計画を取りまとめ、「幌延深地層研究計画における立坑掘削時の計測計画及び情報化施工プログラム」ならびに「幌延深地層研究計画における水平坑道掘削時の計測計画及び情報化施工プログラム」を策定し運用した。平成27年度より実施している第3段階の研究調査は、地下施設において地層処分にかかわる原位置試験が進められ、また、坑道の長期安定性の検討のため計測が継続されている。本データ集は、情報化施工プログラムを実施していくための基礎データとすること、調査・計測データの共有化ならびに散逸防止を図ることを目的として、平成26年度に実施した地下施設建設時の調査・計測結果を取りまとめたものである。

報告書

幌延深地層研究センターの350m調査坑道における原位置岩盤の長期変形挙動の計測

櫻井 彰孝; 青柳 和平; 藤田 朝雄; 本島 貴之*

JAEA-Data/Code 2015-023, 46 Pages, 2016/02

JAEA-Data-Code-2015-023.pdf:48.03MB
JAEA-Data-Code-2015-023-appendix(CD-ROM).zip:48.51MB

高レベル放射性廃棄物の地層処分では、人工バリアおよびその周辺の岩盤領域の環境の明確化の観点から、熱-水理-力学連成現象を長期的に検討し、地層処分システムの安全評価へ反映していく必要がある。また、処分施設では、廃棄体定置後の処分施設の埋戻し後も考慮した長期的な岩盤の安定性が求められるため、原位置岩盤の長期的な力学挙動を検討していくことが重要となる。これらの背景を踏まえ、本報告書では、処分孔周辺岩盤の長期的な力学挙動に関する計測データの取得を目的として、幌延深地層研究センターの350m調査坑道において処分孔を模擬した鉛直孔(テストピット)を無支保で掘削し、テストピット内およびその周辺岩盤の変形挙動を計測し、テストピット掘削に伴う周辺地山への影響や、無支保のテストピット内の長期的な変形挙動の評価に資するためのデータを取得した。なお、本報告書では、テストピットの掘削、地質観察結果、計測器の仕様・設置方法および、平成26年2月から平成27年9月までの計測結果をとりまとめ、巻末付録にデジタルデータを収録した。

報告書

幌延深地層研究センターの350mポンプ座における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2015-010, 190 Pages, 2015/10

JAEA-Data-Code-2015-010.pdf:18.7MB
JAEA-Data-Code-2015-010-appendix(CD-ROM).zip:127.68MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握することを目的として、350mポンプ座にて水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。初期地圧を評価するにあたっては、異なる方向へ掘削した4本のボーリング孔の31深度で水圧破砕により造成された横き裂に作用する法線応力、1深度で生じたブレイクアウト発生位置および12深度で生じた縦き裂の開口圧に関する観測方程式を用いた。水圧破砕試験結果の解析では、ボアホールブレイクアウトの発生条件を加味した場合と、加味しない場合の2ケースで初期地圧を評価した。その結果、ブレイクアウト発生条件を加味した場合、最大主応力が約12MPaと、推定される土被り圧約6MPaの2倍程度の値となる。また、最大主応力と最小主応力の比が約6となり、差応力が大きな結果となった。また、ブレイクアウトの発生条件を加味しない場合は、最大主応力が6MPa程度であり、推定土被り圧と同程度の値を示す。また、最大主応力と最小主応力の比も、2.7程度であり、主応力差がそれほど生じなかったという観点から見ると、地上からの調査段階の結果に整合する傾向となった。主応力の方位に関しては、両ケースにおいて、最大主応力が北方向から約30$$^{circ}$$西寄りで、鉛直方向から約45$$^{circ}$$傾いた結果となった。

論文

Spontaneous activation behavior of Ni$$_{3}$$Sn, an intermetallic catalyst, for hydrogen production via methanol decomposition

Fan, M.*; Xu, Y.*; 櫻井 惇也*; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

International Journal of Hydrogen Energy, 40(37), p.12663 - 12673, 2015/10

 被引用回数:6 パーセンタイル:77.79(Chemistry, Physical)

Ni$$_{3}$$Sn単相粉末試料のメタノール分解反応に対する触媒特性を調べた。触媒反応は713K, 793K, 873Kの各温度で等温実験であった。793K以上の温度では触媒活性は時間の増加に伴い高くなることを見出した。また、Ni$$_{3}$$SnはH$$_{2}$$とCOに高い選択性を示すことが分かった。表面キャラクタリゼーションの結果、触媒反応中触媒表面にNi$$_{3}$$Sn微粒子が生成されることが分かった。これらの微粒子は自発活性化の原因と考えられる。

報告書

幌延深地層研究センターの250m大型試錐座(西)における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2015-012, 171 Pages, 2015/09

JAEA-Data-Code-2015-012.zip:33.31MB
JAEA-Data-Code-2015-012.pdf:28.27MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握するため、250m大型試錐座(西)にて、方向、傾斜の異なる3本のボーリング孔を掘削し、水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。初期地圧を評価するにあたっては、14深度で観測されたき裂に作用する法線応力、5深度で生じたブレイクアウトの破壊位置および2深度で生じた縦き裂の開口圧に関する観測方程式を用いた。結果として、調査地点の初期地圧状態は、主応力の方位に関しては、両ケースにおいて、最大主応力が北方向から約70$$^{circ}$$西寄りで、鉛直方向下向きから約70$$^{circ}$$傾き,最小主応力は南から約20$$^{circ}$$西寄りで鉛直下方より約60$$^{circ}$$傾く結果となった。最大主応力の値は2.6MPa、最小主応力は2.1MPaであった。

報告書

幌延深地層研究センターの250m小型試錐座(南)における初期地圧測定

青柳 和平; 櫻井 彰孝; 丹生屋 純夫*

JAEA-Data/Code 2015-011, 182 Pages, 2015/09

JAEA-Data-Code-2015-011.pdf:33.41MB
JAEA-Data-Code-2015-011-appendix(CD-ROM).zip:41.95MB

幌延深地層研究センターの地下施設周辺岩盤の応力場を把握するため、250m小型試錐座(南)から直径76mm、長さ20mのボーリング孔である10-E250-M01孔(水平)、10-E250-M02孔(水平)および10-E250-M03孔(傾斜)を掘削し、水圧破砕法による3次元初期地圧測定を実施した。10-E250-M01孔では、ボーリング孔まわりの応力集中によって生じたブレイクアウトと考えられる連続的な破壊が孔壁に沿って認められた。ブレイクアウトの発生位置は、初期地圧によるボーリング孔まわりの応力集中を反映した孔壁の応力状態によって主に支配されるので、初期地圧の評価に利用することができる。そこで、3本のボーリング孔の31深度でおこなった水圧破砕試験のうち、16深度で測定されたき裂に作用する法線応力および10-E250-M01孔の3深度で測定されたボアホールブレイクアウトの破壊中央位置から初期地圧を評価した。調査地点の初期地圧状態は、最大主応力は方向がほぼEW方向からENE方向で水平に近いと評価され、その値は3.97MPaであった。この最大主応力の方向は、10-E250-M01孔で生じたブレイクアウトの位置および10-E250-M03孔で生じた縦き裂の方向から考えて合理的であった。

論文

Effect of water vapor and hydrogen treatments on the surface structure of Ni$$_{3}$$Al foil

Xu, Y.*; Ma, Y.*; 櫻井 惇也*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*

Applied Surface Science, 315, p.475 - 480, 2014/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:59.56(Chemistry, Physical)

The Ni$$_{3}$$Al foils were heat treated in water vapor at 873 K for 1 h followed by H$$_{2}$$ reduction at 873 K for 1 h. The effects of the water vapor treatment and the H$$_{2}$$ reduction on the surface structure of the Ni$$_{3}$$Al foils were investigated by means of scanning electron microscopy and synchrotron radiation X-ray photoemission spectroscopy. Both Ni and Al were oxidized during the water vapor treatment; fine NiO particles were formed on the surface, accompanied by the formation of Al(OH)$$_{3}$$ and NiAl$$_{2}$$O$$_{4}$$/Al$$_{2}$$O$$_{3}$$. The NiO particles were reduced to metallic Ni and the Al(OH)$$_{3}$$ was decomposed to Al$$_{2}$$O$$_{3}$$, whereas the NiAl$$_{2}$$O$$_{4}$$ and Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ remained unchanged during the H$$_{2}$$ reduction, forming a Ni-enriched porous structure on the surface layer of NiAl$$_{2}$$O$$_{4}$$/ Al$$_{2}$$O$$_{3}$$.

論文

Catalytic performance of Ni$$_{3}$$Sn and Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$ for hydrogen production from methanol decomposition

Fan, M.*; Xu, Y.*; 櫻井 惇也*; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

Catalysis Letters, 144(5), p.843 - 849, 2014/05

 被引用回数:10 パーセンタイル:68.92(Chemistry, Physical)

In this study, the catalytic properties of Ni$$_{3}$$Sn and Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$ powders were investigated for producing hydrogen from decomposing methanol in the temperatures from 593 to 953 K. The catalytic activities of Ni$$_{3}$$Sn and Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$ both increased with increasing temperature, but Ni$$_{3}$$Sn showed much higher catalytic activity than Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$. The results of an isothermal test performed at 873 K revealed that the catalytic activity of Ni$$_{3}$$Sn significantly increased with methanol decomposition time, indicating that Ni$$_{3}$$Sn was spontaneously activated. Ni$$_{3}$$Sn and Ni$$_{3}$$Sn$$_{2}$$ both showed a high degree of selectivity and both suppressed side reactions such as methanation and water-gas shift reaction. Surface analysis revealed that fine Ni-Sn particles were formed together with carbon deposited onto the catalyst surface. These Ni-Sn particles were supposed to serve as active sites for methanol decomposition.

口頭

Catalytic performance of Ni$$_{3}$$Sn alloy for hydrogen production from methanol decomposition

Fan, M.*; Xu, Y.*; 櫻井 惇也*; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

We have examined the catalytic performance of Ni$$_{3}$$Sn for hydrogen production from methanol decomposition. The single-phase Ni$$_{3}$$Sn alloy ingot was prepared using a high-frequency furnace. The ingot was mechanically crushed to powders. The powders were sieved to get the samples less than 75 micrometer in size for reaction test. Methanol decomposition was performed in a conventional fixed-bed flow reactor. The characterization of Ni$$_{3}$$Sn was carried out by XRD, SEM, BET, and synchrotron XPS in SPring-8. The methanol conversion increased with time indicating that Ni$$_{3}$$Sn spontaneously activated during the reaction. It was also found that Ni$$_{3}$$Sn shows a high selectivity. The characterization of the samples before and after reaction shows that Ni$$_{3}$$Sn phase remained unchanged, and no obvious oxidation of Ni and Sn occurred during reaction, suggesting that Ni$$_{3}$$Sn itself might serve as the active species.

口頭

Catalytic properties of Ni$$_{3}$$Al foils for methane steam reforming

Xu, Y.*; Ma, Y.*; 櫻井 惇也*; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

no journal, , 

Ni$$_{3}$$Al intermetallic compound is known as a promising high-temperature structural material because of its excellent high temperature strength and corrosion/oxidation resistance. The brittleness at room temperature used to be a big problem which restricted its practical application. We have overcome this problem and successfully developed thin Ni$$_{3}$$Al foils using directional solidification and cold rolling. We investigated the catalytic activities of the cold-rolled Ni$$_{3}$$Al foils for methane steam reforming. The effect of steam pre-treatment on the catalytic activities of the foil was also investigated. It was found that the activity of as-rolled foils increased with temperature above 873 K, while no obvious activity was detected below 873 K. The steam pre-treatment at 873 K significantly enhanced the activity in the temperature range from 873 to 1173 K. The enhanced catalytic activity was attributed to the fine pure Ni particles on the foil formed by the steam pre-treatment.

口頭

Effect of steam treatments on surface morphology of Ni$$_{3}$$Al foil catalysts

Xu, Y.*; Ma, Y.*; 櫻井 惇也*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*

no journal, , 

We found that Ni$$_{3}$$Al shows high catalytic activity for methanol decomposition and methane steam reforming as catalysts of hydrogen production. It is possible to enhance catalytic activity by modifying the Ni$$_{3}$$Al foil by a pre-steam treatment followed by a reduction with H$$_{2}$$ gas flow. We investigated the effect of the steam treatment and H$$_{2}$$ reduction on the surface morphology of Ni$$_{3}$$Al foil using synchrotron radiation X-ray photoemission spectroscopy. Although the metallic Ni2p$$_{3/2}$$ and 2p$$_{1/2}$$ peaks were detected before the steam treatment, the metallic Ni was significantly decreased and NiO appeared after the steam treatment, suggesting that most of the metallic Ni was oxidized. After the hydrogen reduction, the metallic Ni increased again, indicating that the NiO was reduced. These fine metallic Ni particles formed on the foil surface contribute to the enhanced catalytic activity.

口頭

Oxidation of Ni$$_{3}$$Al(210) surface at room temperature using supersonic oxygen molecular beam; Real-time photoemission spectroscopic study with synchrotron radiation

Syu, Y.*; 櫻井 惇也*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆; 出村 雅彦*; 平野 敏幸*

no journal, , 

Intermetallic compounds (IMCs) usually have ordered crystal structure which differs from that of their constitute metals. Some of them have been reported to show good catalytic properties for some reactions, such as Pt$$_{3}$$Ti, Ni$$_{3}$$Sn, and Ni$$_{3}$$Al, demonstrating that IMCs have potential as catalysts and/or catalyst precursors for chemical reactions. In this work, we investigate the initial oxidation process on a Ni$$_{3}$$Al(210) surface at 298 K using a supersonic oxygen molecular beam and a real-time photoemission spectroscopy with synchrotron radiation. The time evolutions of O 1s, Ni 2p, Al 2p, and Ni 3p spectra indicate that both Al and Ni are oxidized, and AlO$$_{x}$$ and NiO are formed during the irradiation of oxygen molecules. The oxidation rate of Al is much higher than that of Ni at the beginning of oxidation, and then quickly saturates. In contrast, the oxidation of Ni progresses gradually for the whole measured period.

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