廃棄物安全試験施設(WASTEF)におけるガンマ線照射利用

佐野 成人; 山下 直輝; 渡邊 勝哉; 塚田 学*; 星野 一豊*; 平井 功希; 池上 雄太*; 田代 信介; 吉田 涼一朗; 畠山 祐一; et al.

JAEA-Technology 2023-029, 36 Pages, 2024/03

JAEA-Technology-2023-029.pdf:2.47MB

廃棄物安全試験施設(WASTEF)においては、令和元年度に原子力科学研究所内の第4研究棟よりガンマ線照射装置「ガンマセル220」を移設し、ガンマ線照射利用が開始された。当初は本装置の所有者である安全研究センター燃料サイクル安全研究ディビジョン サイクル安全研究グループがメインユーザーとして試験を実施していたが、令和4年度以降、日本原子力研究開発機構外部も含む他のユーザーの利用も開始された。ガンマ線照射装置「ガンマセル220」は、カナダNordion International Inc.製であり、平成元年度に購入してから、内蔵されるCo線源の線源更新を1回実施し、核燃料サイクル等に係る安全研究の目的で、今日まで利用されている。本報告書は、ガンマ線照射装置「ガンマセル220」設備概要、WASTEFにおける許認可、利用状況、保守点検及び今後の展望についてまとめたものである。

JMTR及び関連施設を活用した研修(2021年度、2022年度)

中野 寛子; 藤波 希有子; 山浦 高幸; 川上 淳; 花川 裕規

JAEA-Review 2023-036, 33 Pages, 2024/03

JAEA-Review-2023-036.pdf:2.47MB

材料試験炉部では、発電用原子炉の導入を検討しているアジア諸国をはじめとした海外の原子力人材育成及び将来の照射利用拡大、並びに国内の原子力人材の育成及び確保を目的とし、国内外の若手研究者・技術者を対象に、JMTR等の研究基盤施設を活用した実践型の実務研修を実施している。本研修は、国立研究開発法人科学技術振興機構の国際青少年サイエンス交流事業「さくらサイエンスプラン」に採択され、2021年度は新型コロナウイルスの感染拡大防止の観点から、オンラインでの開催とした。アジア地域の6か国から53名の若手研究者・技術者が参加した。また、2022年度は海外から日本国への入国規制が緩和されたことにより、アジア地域の4か国から7名の若手研究者・技術者が参加し、オンサイト研修を実施した。開催した研修の共通したカリキュラムとして、原子力エネルギー、照射試験、原子炉の管理、JMTRの廃止措置計画等に関する講義を行った。2021年度におけるオンラインでの研修では各国のエネルギー事情に関する情報交換を実施し、2022年度におけるオンサイト研修ではシミュレータを用いた運転、環境モニタリング等の実習やJMTR等の施設見学を行った。本報告書は、2021年度及び2022年度に実施した研修についてまとめたものである。

Latent ion tracks were finally observed in diamond

雨倉 宏*; Chettah, A.*; 鳴海 一雅*; 千葉 敦也*; 平野 貴美*; 山田 圭介*; 山本 春也*; Leino, A. A.*; Djurabekova, F.*; Nordlund, K.*; et al.

Nature Communications (Internet), 15, p.1786_1 - 1786_10, 2024/02

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45934-4

高い電子的阻止能領域の照射条件で高エネルギー重イオンを固体に照射すると、イオンの飛跡に沿って潜在イオントラックと呼ばれる柱状の損傷領域が形成される。イオントラックは、多くの物質中で形成されていることが知られているが、ダイヤモンドにおいて観察された例は皆無であった。高エネルギー(GeV)のウランイオンにおいてさえ、観察された例はない。本研究では、2-9MeV Cフラーレンイオンを照射したダイヤモンドにおいて、初めてイオントラックが観察された。高分解能電子顕微鏡による観察により、イオントラックの内部がアモルファス化していることが示唆され、さらに、電子エネルギー損失分光法による分析によって、グラファイト由来の-結合の信号が検知された。分子動力学法に基づく計算シミュレーションで、上記の実験結果を再現することに成功した。

Meso-timescale atomistic simulations on coalescence process of He bubbles in Fe by SEAKMC method

山本 耀二郎*; 早川 頌*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋

Computational Materials Science, 229, p.112389_1 - 112389_9, 2023/10

https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2023.112389

ヘリウムバブルは、核融合炉条件下で生成する特有の微細構造である。これらのバブルは、自らの移動によって接近・融合し、微細構造や材料特性に大きな影響を与える。しかし複数の金属原子の移動が含まれるこれらのプロセスは、分子動力学(MD)では時間スケールの制約から扱うことができない。この研究では、自己発展原子論的キネティックモンテカルロ(SEAKMC)法により時間スケールを拡張し、Fe中のバブルの融合過程を再現した。He原子の微小な振動やFe原子の短距離変位など、活性化エネルギーが極めて低い些細なイベントを避けるため、SEAKMCに2つのアルゴリズムを導入した。He原子の微小な振動を回避するために二段階のサドルポイント検索を行い、Fe原子の短距離変位を避けるためにFe原子の変位距離に対する閾値を設定した。さらに、活性化エネルギーの上限を設定する別のアルゴリズムを追加することで、非現実的に高い活性化エネルギーを持つイベントの選択を防ぎ、MDの時間尺度よりも8桁長い秒までのシミュレーション時間において、ダンベルから楕円形への構造の変化を再現することに成功した。開発された手法は、軽元素を含む金属材料の微細構造を分析するのに効果的であり、実験と比較可能な時間スケールに到達できる唯一の手法である。

高速炉MOX燃料照射試験による燃料挙動解析コードFEMAXI-8の検証

生澤 佳久; 長山 政博*

JAEA-Data/Code 2023-006, 24 Pages, 2023/07

JAEA-Data-Code-2023-006.pdf:1.42MB

超臨界圧軽水冷却炉(Supercritical Water-Cooled Reactor、SCWR)や、低減速炉(Reduced Moderation Water Reactor、RMWR)において、水冷却環境下でステンレス鋼製被覆管や高Pu含有混合酸化物(Mixed Oxide、MOX)燃料を採用した炉心燃料の検討がなされている。このような炉心燃料概念の研究開発に資するため、高速実験炉「常陽」で照射された高速炉MOX燃料の照射後試験結果に基づき、挙動解析コードFEMAXI-8の解析機能について検証を行った。FEMAXI-8は、軽水炉燃料の通常運転時及び過渡条件下の挙動解析を目的として原子力機構が開発・整備を進めてきた挙動解析コードで、最新バージョンのものである。この最新バージョンでは、事故耐性燃料等の改良型燃料についても取り扱うことが出来るようステンレス製被覆管の物性モデルも選択できるように改良・開発されている。本報告書の目的は、軽水炉よりも高出力、高燃焼度で照射され且つ高Pu含有MOX燃料、ステンレス鋼製被覆管を採用した高速炉MOX燃料を検証データとして加え解析機能を確認することで、現在研究開発が進められている新型の炉心燃料の照射挙動に対するFEMAXI-8の予測精度を確認することである。検証の結果、軽水炉のPu含有率、照射条件を超え、ステンレス鋼製被覆管を採用したナトリウム冷却型高速炉MOX燃料の照射挙動に対しても、顕著な組織変化が生じない範囲であればFEMAXI-8は十分な解析精度を有していることを確認した。今後、MOX燃料熱伝導度のO/M比依存性や、高温時の照射挙動評価モデルを採用することで、FEMAXI-8の解析精度の向上を図ることが出来ると考えられる。

Mechanical properties of pure tungsten and tantalum irradiated by protons and neutrons at the Swiss spallation-neutron source

斎藤 滋; 鈴木 和博; 小畑 裕希; Dai, Y.*

Nuclear Materials and Energy (Internet), 34, p.101338_1 - 101338_9, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.nme.2022.101338

固体ターゲットを用いる核破砕中性子源のターゲット材料及び被覆材料は、高エネルギー陽子及び核破砕中性子の照射により損傷を受ける。核破砕条件における材料の照射損傷特性を明らかにするために、スイスのPSIを中心として核破砕ターゲット材料照射プログラム(STIP: SINQ Target Irradiation Program)が進行中である。本プログラムでは、PSIの加速器で各種材料を580MeVの陽子で照射し、参加国がPIEを分担して行っている。原子力機構も照射試料の一部を輸送し、照射後試験を行った。本発表ではSTIP-II試料の中からWとTaの引張り試験の結果を報告する。これらの試料の照射条件は照射温度が130-380C、はじき出し損傷量が10.2-35.0dpaであった。引張り試験の結果、WのうちW-Polyは照射によって脆化し、伸びがほぼ0で、弾性域で破断した。W-Sinは10.2dpa照射後も全伸び約6%を示し、延性を保っていた。Taは、10.3dpa照射試料が0.7-2.6%の全伸びを示したほかは伸びがほぼ0で、弾性域で破断した。

Long-timescale transformations of self-interstitial atom clusters of Cu using the SEAKMC method; The Effect of setting an activation energy threshold for saddle point searches

早川 頌*; 山本 耀二郎*; 沖田 泰良*; 板倉 充洋; 鈴木 克幸*

Computational Materials Science, 218, p.111987_1 - 111987_10, 2023/02

https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2022.111987

On-the-fly kinetic Monte Carlo (kMC), a computational technique for atomistic simulations, has attracted attention because it increases the simulation timescale beyond that of molecular dynamics (MD) simulations while maintaining atomistic fidelity. However, for most kMC methods, when events with high and low activation energies coexist in the event list, trivial events with extremely low activation energies that do not essentially affect the phenomena of interest, so-called flicker events, are frequently selected, making it challenging to observe the key dynamics. In this study, we use Self-Evolving Atomistic kMC (SEAKMC), one of the on-the-fly kMC methods, to model the unstable-to-stable transformations of irregular three-dimensional self-interstitial-atom (SIA) clusters in Cu generated through collision cascade. By setting an activation energy threshold once every five steps, transformations into stable configurations are enhanced. The algorithm renders the simulation timescales one or two orders of magnitude longer than those possible with MD simulations. Further, the probability of transformations into stable configurations is increased by 40 times compared to that of the original SEAKMC method. In addition, we find that the stable configurations obtained by the transformation of the SIA clusters are mostly Frank loops. In summary, this new algorithm for the SEAKMC method helps to resolve the inefficiency of kMC methods resulting from the selection of flicker events and will aid the study of meso-timescale atomistic dynamics.

Tensile properties of modified 316 stainless steel (PNC316) after neutron irradiation over 100 dpa

矢野 康英; 上羽 智之; 丹野 敬嗣; 吉武 庸光; 大塚 智史; 皆藤 威二

Journal of Nuclear Science and Technology, 9 Pages, 2023/00

https://doi.org/10.1080/00223131.2023.2243943

高速実験炉「常陽」で中性子照射したPNC316の引張特性に及ぼす中性子の影響を評価した。PNC316被覆管とラッパ管は、照射温度400ら735Cで照射量21から125dpaで照射された。照射後の引張試験は室温と照射温度で実施された。照射材の著しい硬化と軟化は確認されたが、照射後の引張延性は工学的なレベルを維持できていた。また、400から500Cの範囲で110dpa照射されたPNC316ラッパ管の最大スエリング量は2.5%であり、10%以上のスエリングが生じたPNC316や15Cr-20Ni鋼のような日本の20%冷間加工材は、塑性不安定は小さかったけれども、十分な延性と加工硬化性能を維持していることが分かった。

Structure and magnetic properties of Fe nanoparticles in amorphous silica implanted with Fe ions and effect of subsequent energetic heavy ion irradiation

岩瀬 彰宏*; 福田 健吾*; 斎藤 勇一*; 岡本 芳浩; 千星 聡*; 雨倉 宏*; 松井 利之*

Journal of Applied Physics, 132(16), p.163902_1 - 163902_10, 2022/10

https://doi.org/10.1063/5.0102438

アモルファスSiO試料に380keVのFeイオンを室温で注入した。注入後、一部の試料に16MeVのAuイオンを照射した。SQUID磁束計を用いて磁気特性を調べ、透過型電子顕微鏡とX線吸収分光法(EXAFSとXANES)を用いてFe注入SiO試料のモルフォロジーを調べたところ、Feナノ粒子のサイズが大きくなっていることがわかった。Feナノ粒子の大きさは、Feの注入量の増加とともに大きくなった。Feナノ粒子の一部はFe酸化物からなり、Fe注入量の増加に伴い、Fe原子の価数や構造が金属-Feに近くなった。Feを注入したSiO試料では、室温での磁性が観測された。少量のFeを注入した試料の磁化-磁場曲線はLangevinの式で再現され、Feナノ粒子が超常磁性的な振る舞いをすることが示唆された。また、Feを多量に注入した場合、磁化-磁場曲線は強磁性状態を示している。このような磁気特性の結果は、X線吸収の結果と一致する。その後の16MeVのAu照射により、Feナノ粒子は破砕され、その結果、磁化は減少した。

The Damage analysis for irradiation tolerant spin-driven thermoelectric device based on single-crystalline YFeO/Pt heterostructures

家田 淳一; 岡安 悟; 針井 一哉*; 小畠 雅明; 吉井 賢資; 福田 竜生; 石田 真彦*; 齊藤 英治

IEEE Transactions on Magnetics, 58(8), p.1301106_1 - 1301106_6, 2022/08

https://doi.org/10.1109/TMAG.2022.3145888

スピンゼーベック効果(SSE)に基づくスピン駆動熱電(STE)デバイスと、熱源としての放射性同位元素の組み合わせは、宇宙探査機の電源などの応用における次世代の発電方法としての可能性を秘めている。しかし、スピン熱電デバイスの照射耐性を示す利用可能な知識は非常に限られている。重イオンビーム加速器と硬X線光電子分光法(HAXPES)測定を使用した分析を通じて、YFeO/Ptヘテロ構造に基づく典型的なSTEデバイスが高エネルギー重イオンビームの照射に対する耐性を持つことを検証する。使用済み核燃料の表面から放出される核分裂生成物による累積損傷をモデル化した320MeVの金イオンビームを使用し、線量レベルを変えることにより、SSE要素の熱電および磁気特性がイオン/cmフルエンスまでのイオン照射線量の影響を受けず、イオントラックがサンプル表面をほぼ完全に覆う約イオン/cmでSSE信号が消滅することを確認した。さらに、HAXPES測定は、YFeO/Pt界面への影響を理解するために実行した。HAXPES測定は、SSE信号を減少させる化学反応が照射線量の増加とともに強化されることを示唆している。過酷な環境使用に適用できるより優れたSTEデバイスを開発するために、YFeO/Ptで損傷分析の現在の理解を共有したい。