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論文

Effect of Sn and Nb on generalized stacking fault energy surfaces in zirconium and $$gamma$$ hydride habit planes

宇田川 豊; 山口 正剛; 都留 智仁; 阿部 弘亨*; 関村 直人*

Philosophical Magazine, 91(12), p.1665 - 1678, 2011/04

 被引用回数:11 パーセンタイル:39.25(Materials Science, Multidisciplinary)

純ジルコニウム及びジルカロイ中に析出する$$gamma$$水素化物はそれぞれ柱面,底面に平行な晶癖面を持つことが電子顕微鏡観察により知られている。また水素化物周囲には転位ループが観察され、水素化物形成において一定の役割を果たすと考えられている。合金元素が転位特性を通じて水素化物析出プロセスに及ぼす影響を明らかにするため、密度汎関数法に基づく第一原理計算によりスズ及びニオブを含むジルコニウム結晶の$$gamma$$表面を評価した。スズの介在により底面の$$gamma$$表面鞍点エネルギ,積層欠陥エネルギはともに著しく減少し、底面上転位の安定化,易動度増加を示唆する結果を得た。一方柱面でこれらのパラメータは増加し、底面と相反する傾向を示した。スズ介在により底面転位の活動が選択的に活発化することで、底面上でのらせん転位芯拡張や水素化物からの刃状転位放出等、底面晶癖水素化物形成に寄与するプロセスが促進されるものと考えられる。

論文

Ab initio study on plane defects in zirconium-hydrogen solid solution and zirconium hydride

宇田川 豊; 山口 正剛; 阿部 弘亨*; 関村 直人*; 更田 豊志

Acta Materialia, 58(11), p.3927 - 3938, 2010/06

 被引用回数:63 パーセンタイル:4.73(Materials Science, Multidisciplinary)

In order to elucidate the origin of the hydrogen-induced embrittlement of zirconium alloys, we here evaluate the surface energy (SE) and unstable stacking energy (USE) of Zr-H systems by making ab initio calculations. For solid solutions we found decrease in SE and USE with increased H/Zr ratio. For the hydride, we found 25% smaller SE and 200 to 300% larger USE than pure zirconium. This indicates that zirconium hydride is extremely brittle, due to the synergistic effect of small SE relative to pure zirconium, indicating easy generation of fractures on the surface, and large relative USE, indicating difficulty in dislocation motion. Furthermore, Rice's parameter D of ductility/brittleness becomes 1.1-1.5 in hydride, indicating that brittle fracture occurs more readily than iridium. These results seem enough to attribute hydrogen embrittlement of zirconium alloys substantially to the fundamentally brittle nature of the hydride itself.

論文

${it In situ}$ TEM observation of growth process of zirconium hydride in zircaloy-4 during hydrogen ion implantation

篠原 靖周*; 阿部 弘亨*; 岩井 武雄*; 関村 直人*; 木戸 俊也*; 山本 博之; 田口 富嗣

Journal of Nuclear Science and Technology, 46(6), p.564 - 571, 2009/06

 被引用回数:22 パーセンタイル:15.59(Nuclear Science & Technology)

ジルカロイ4内のジルコニウム水素化物の生成過程を検討するために、TEM付設のイオン加速器を用いて水素イオン注入のTEMその場観察を行った。照射損傷の効果を検討するため、幾つかの試料において水素イオン注入の前に、4MeVのNiイオンを用いたイオン照射を行った。その結果、転位の生成を伴うジルコニウム水素化物の成長過程が観察された。また、ジルコニウム母相とジルコニウム水素化物間の結晶学的関係は、過去の研究と一致した。すなわち、ジルコニウム粒間及び粒内に存在する水素化物は、$$<$$11$$bar{2}$$0$$>$$方向に成長する傾向にあった。この成長は、ジルコニウム結晶内のせん断機構に起因すると考えられる。Niイオン照射試料において、水素化物の生成速度が抑制されたが、水素化物の成長方向は照射により生成した欠陥の影響を受けなかった。Niイオン照射により生成した黒点は、水素イオン照射中に成長することが観察されたが、これは欠陥において水素化物が生成する過程を示唆している。

論文

Influence of H and He on corrosion behavior of ion irradiated stainless steel

根本 義之; 三輪 幸夫; 辻 宏和; 塚田 隆; 阿部 弘亨*; 関村 直人*

JAERI-Review 2003-033, TIARA Annual Report 2002, p.171 - 173, 2003/11

現在、軽水炉の高経年化との関連において重要な検討課題とされているオーステナイト系ステンレス鋼の照射誘起応力腐食割れ(IASCC: Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking)の基礎的な研究のため、照射材における腐食挙動の評価方法の開発及び解析を行った。イオン照射により水素(H),ヘリウム(He)の注入量を変化させて照射を行った。照射材の腐食挙動の評価には原子間力顕微鏡(AFM: Atomic Force Microscope)を適用した。その結果、照射材の腐食量の評価に成功し、照射条件と腐食挙動の相関について検討した。

論文

Reweldability tests of irradiated inconel 625 by TIG welding method

土谷 邦彦; 関村 直人*; 松田 福久*; G.Kalinin*; 清水 道雄; 河村 弘

Fusion Technology 1998, 2, p.1297 - 1300, 1998/00

核融合炉真空容器の候補材としてインコネル625が考えられている。一方、真空容器の補修等を行う際に、照射された構造材の再溶接が必要となる。本研究では、中性子照射したインコネル625をTIG溶接法により溶接し、溶接試料の引張試験、硬さ試験及び金相観察を行い、照射済インコネル625の再溶接性に対する中性子照射効果を調べた。JMTRにおいて、照射温度150$$^{circ}$$C及び200$$^{circ}$$Cで約1.5$$times$$10$$^{20}$$m/cm$$^{2}$$(E$$>$$1MeV)まで照射した試料を再溶接し、引張試験片を製作した。引張試験の結果、未照射/未照射及び照射/未照射の組合せの溶接材は、未照射母材部で破断し、溶接性が良好であることを明らかにした。また、溶接断面部の微視的観察結果から、熱影響部の粒界にHeと思われるバブルが、照射/照射の組合せの溶接材について観察された。以上の結果から、TIG溶接法による再溶接性に関する有望なデータを取得することができた。

論文

照射相関に立脚した圧力容器鋼の照射脆化機構研究の現状

石野 栞*; 関村 直人*; 鈴木 雅秀; 浅野 恭一*; 永川 城正*; 柴原 格*

日本原子力学会誌, 36(5), p.396 - 404, 1994/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:81.54(Nuclear Science & Technology)

原子力機器の高信頼性、長寿命化への要求がさらに高まるのに伴い、照射環境における材料挙動を機構論的理解の上に立って評価することに関心が持たれるようになっている。異なった照射条件下の材料挙動を関連づけていく場合のスケーリング則を「照射相関」と呼ぶが、圧力容器鋼の照射脆化予測も機構の理解の上に立ち、照射相関の考えに基づいて行うことが精度の向上につながると考えられる。ここでは、照射脆化機構研究についての現状を解説する。

口頭

ジルコニウム水素固溶体及び水素化物中面欠陥の第一原理計算

宇田川 豊; 山口 正剛; 阿部 弘亨*; 浅利 圭亮*; 篠原 靖周*; 村上 健太*; 中園 祥央*; 三原 武*; 澤山 陽平*; 関村 直人*; et al.

no journal, , 

ジルコニウム水素脆化の微視的機構を明らかにするため、ジルコニウム水素固溶体及び水素化物の表面エネルギと$$gamma$$表面を第一原理計算により評価した。計算には密度汎関数理論に基づく第一原理計算コードVASP(GGA-PAWポテンシャル)を用い、ジルコニウム単体($$alpha$$-hcp)及び水素固溶体(Hを含む$$alpha$$-hcp格子)については底面及び柱面、水素化物については(111), (110)及び(100)面の計算を行った。水素化物では表面エネルギ($$gamma$$$$_{S}$$)低下に加え、すべり,転位運動に対する抵抗の指標となる$$gamma$$表面鞍点エネルギ($$gamma$$$$_{US}$$)が大幅に増加し、これにより水素化物自身が極めて脆性的にふるまうことがわかった。一方水素固溶体における水素は$$gamma$$$$_{S}$$$$gamma$$$$_{US}$$をそれぞれ減少させる傾向が見られる。水素固溶体の傾向との比較から、水素化物に特有な脆化の要因は$$gamma$$$$_{US}$$増加、すなわちすべりや転位運動に対する障壁エネルギの増大にあると考えられる。

口頭

Zr-Nb合金の水素化及び照射効果に関する研究,4; モデル化; 格子欠陥エネルギーの第一原理計算

山口 正剛; 宇田川 豊; 阿部 弘亨*; 関村 直人*

no journal, , 

燃料被覆管Zr-Nb合金の腐食(水素化)挙動を計算機シミュレーションで探るためのモデル化の第一歩として、Zr中の格子欠陥エネルギーを第一原理計算により計算した結果を発表する。

口頭

Zr-Nb合金の水素化及び照射効果に関する研究; Zr-H二元系原子間ポテンシャルの開発

宇田川 豊; 山口 正剛; 阿部 弘亨*; 関村 直人*

no journal, , 

ジルコニウム結晶中における水素化物の核形成はおもに転位・積層欠陥・粒界等の欠陥への水素偏析に端を発すると考えられる。水素化物核形成の素過程解明のため、これらの面欠陥と水素の相互作用を適切に取り扱うことのできるジルコニウム-水素二元系原子間ポテンシャルの開発に取り組んだ。第一原理計算評価値及び実験データを参照解とし、原子埋め込み法により定式化したポテンシャル関数を3次スプライン関数として合わせ込むことにより、積層欠陥,自由表面,空孔と水素の結合エネルギーをよく再現するポテンシャルパラメータを決定した。

口頭

Zr-Nb合金の水素化及び照射効果に関する研究,2; hcp Zr中の溶質元素(Nb, Fe, Cr etc.)の挙動に関する第一原理計算

山口 正剛; 宇田川 豊; 阿部 弘亨*; 関村 直人*

no journal, , 

日本で開発された燃料被覆管材Zr-Nb合金は、軽水炉環境下での腐食量や水素吸収量が少なく、高燃焼度域での腐食の加速や照射成長が低減されるとして期待されているが、そのメカニズムは現象論的理解に留まっており、開発と規制の両面から機構論に基づいた理解が求められている。最近、東北大学においてZr-Nb合金の3次元アトムプローブによる元素分析がなされ、Nb析出物中におけるCrの濃化、結晶粒界におけるFeの偏析などが観測されている。本研究では、Zr結晶中の溶質元素(Cr, Fe, Nb)の挙動に関する第一原理計算を行い、FeがZrの結晶粒界に偏析しやすいこと等、溶質元素の挙動の幾つかを計算から明らかにした。

口頭

Zr-Nb合の腐食,水素化及び照射効果に関する研究,5; シミュレーション

山口 正剛; 宇田川 豊; 阿部 弘亨*; 関村 直人*

no journal, , 

日本で開発された燃料被覆管材Zr-Nb合金は、軽水炉環境下での腐食量や水素吸収量が少なく、高燃焼度域での腐食の加速や照射成長が低減されるとして期待されているが、そのメカニズムは現象論的理解に留まっており、開発と規制の両面から機構論に基づいた理解が求められている。本研究は、科学技術振興機構原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ「先進燃料被覆管材料の水素化及び照射効果の解明に関する研究」として、第一原理計算を用いて結晶粒界における溶質元素(Fe, Cr, Nb, Sn, etc.)の偏析エネルギーや照射欠陥エネルギーを計算し、幾つかの溶質元素が偏析しやすいことなどを見いだした例を示す。

口頭

安全研究ロードマップ構築及びJAEA安全研究センターの取組み

関村 直人*; 中村 秀夫

no journal, , 

軽水炉の安全研究ロードマップの構築については、日本原子力学会原子力安全部会が実施してきた福島第一原子力発電所事故に関するセミナーの報告に、事故から明らかになった課題を深層防護の観点で整理して課題と共に、その必要性が提言されている。同部会はこれを基に、安全は多くの分野・領域の隙間から破綻しうることを認識しつつ、原子力安全のあるべき姿を議論して、現在の技術を直視することにより、取り組むべき俯瞰的な技術課題のマップを準備することを目標としている。本発表は、同部会の企画セッションの内容として、セミナー報告書の提言ならびに安全研究ロードマップの目標に呼応し、同ロードマップの役割を議論するための課題整理をあらためて行うと共に、具体例として原子力機構安全研究センターが実施する規制支援に資する安全研究の経緯や今後の計画を紹介し、広く国際協調も考慮した安全研究ロードマップの策定の展望について議論を図るものである。

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