高温ガス炉(HTGR)の炉心拘束機構に用いるC/C複合材の構造健全性に関する研究

辻 延昌*; 柴田 大受; 角田 淳弥; 石原 正博; 伊与久 達夫

FAPIG, (169), p.13 - 17, 2005/03

高温ガス炉(HTGR)の高性能化に伴い、より高温となる炉心条件において燃料温度を許容温度以下に保つためには固定反射体ブロック間の間隙を狭め炉心をバイパスする冷却材流れを制限しなければならない。本研究は、冷却材流路を連成した3次元伝熱解析を実施し、高い耐熱性を持つ炉心拘束機構を開発してバイパス流れを厳しく制限しなければならないことを解析的に明らかにした。この炉心拘束機構として有望な候補材であるC/C複合材に着目し、最適厚さの設計及び直交異方性材料のFEM応力解析によりC/C複合材製の耐熱性炉心拘束機構の実現可能性があることを示した。本論文は、2004年10月に韓国済州島にて開催された国際会議(APCFS2004)で発表したレポートを和訳して紹介するものである。

Effect of thick SiC interphase layers on microstructure, mechanical and thermal properties of reaction-bonded SiC/SiC composites

田口 富嗣; 井川 直樹; 山田 禮司; 實川 資朗

Journal of Physics and Chemistry of Solids, 66(2-4), p.576 - 580, 2005/02

https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2004.06.034

SiC/SiC複合材料は、高温強度に優れ、低放射化の観点から核融合炉構造材料の候補材料の一つである。核融合炉では、ヘリウムガスを冷却材として使用するため、低気孔率を有するSiC/SiC複合材料を作製する必要がある。そのため、従来法よりも低気孔率のSiCを作製可能な反応焼結法をSiC/SiC複合材料の作製方法に用いた。しかしながら、SiC繊維と本方法により作製された母層とが強く融着することが報告されている。母層と繊維の融着を防ぐため、BN層を界面層として用いて、優れた破壊挙動を示したことも報告されている。しかしながら、核融合炉環境下ではBNは、放射化の点で大きな問題となる。そこで本研究では、低放射化であるC及びSiCを繊維-母層間界面層として付与し、本方法によりSiC/SiC複合材料を作製した。界面層のないSiC/SiC複合材料は、脆性破壊挙動を示したが、界面層を付与されたSiC/SiC複合材料は、非脆性破壊挙動を示した。破壊試験後の破面観察の結果、界面層のないSiC/SiC複合材料では、繊維の引き抜けは生じていなかったが、界面層を付与されたSiC/SiCでは、繊維の引き抜けが生じていた。これはSiC界面層が、繊維と母層との融着を防いだためと考えられる。

高温ガス炉における黒鉛構造物

石原 正博

セラミックス, 39(10), p.834 - 837, 2004/10

https://ci.nii.ac.jp/naid/10013742674

高温ガス炉は、燃料に耐熱性に優れた被覆燃料粒子,減速材に黒鉛,冷却材にヘリウム(不活性ガス)を使用していることから、高い固有の安全性の確保,高い燃焼度の達成及び高いプラントの熱効率の達成が期待でき、ヘリウムガスタービンを用いた高い熱効率発電炉,核兵器解体余剰プルトニウムの燃焼炉や水素製造,地域熱供給等の核熱利用を目指した高温ガス炉の検討が進められている。これらの実用化を進めるには、燃料,材料の高性能化が重要な課題の一つとなっている。そこで、本報告では耐熱性材料である黒鉛材料及び炭素繊維強化炭素複合材料について、研究開発の現状について紹介するとともに、今後の研究開発の展望について述べた。

Preparation of silicon-based oxide layer on high-crystalline SiC fiber as an interphase in SiC/SiC composites

井川 直樹; 田口 富嗣; 山田 禮司; 石井 慶信; 實川 資朗

Journal of Nuclear Materials, 329-333(Part1), p.554 - 557, 2004/08

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2004.04.116

SiC/SiC複合材料の擬似延性破壊挙動発現のためには、繊維-母材間に優れた界面材を採用することが重要である。界面材にはCやBNが用いられているが、中性子環境下や酸化雰囲気ではこれらの界面材が劣化してしまうことから、SiC繊維の酸化特性限界により、酸化物材料は使用できなかった。しかし、近年耐酸化特性に優れた先進SiC繊維が開発され、酸化物界面材の適用が可能になりつつある。そこで、低放射化や耐照射性に優れていると期待されるSi系の酸化物材料の作製とその力学的評価を行った。ゾルゲル法によりSiC繊維上にほぼ均一にSi系酸化物層を形成することに成功した。1200Cまでの温度では、この酸化物層を持つ繊維の引張強度を、未加工の繊維と同程度までに引き上げることができたので、本酸化物層が界面材として、CVI法等の複合材作製法で使用できることがわかった。

Proposal of the prediction method using a competing risk model on the bending strength of 2D-C/C composites

石原 正博; 塙 悟史; 曽我部 敏明; 橘 幸男; 伊与久 達夫

Materials Science Research International, 10(1), p.65 - 70, 2004/04

2D-C/Cコンポジットの曲げ強度予測法について、実験及び解析的に検討を行った。実験的な検討では、3点曲げ強度を実測し、また破壊後の試験片のSEM観察から基本的な破壊様式を検討した。破面観察の結果、引張応力下での繊維の延びによる破壊様式、圧縮応力下での繊維の座屈による破壊様式及びせん断応力下での繊維間のスライディングによる破壊様式が観察された。解析的な検討では、セラミックス材で広く用いられているワイブル強度理論からの強度予測を検討するとともに、基本的な破壊モードを考慮し競合リスクモデルを用いた強度予測法を提案し、これによる強度予測を検討した。検討の結果、ワイブル強度理論からの予測は、実測値の2倍以上の強度予測結果となり、異方性の高い繊維強化材料には応用できないことがわかった。一方、提案方法では、実測値とほぼ一致する強度予測を示すことが明らかとなった。さらに、提案方法でパラメータ解析を実施したところ、圧縮応力下での破壊様式が曲げ破壊を支配していることが明らかとなった。

炭素繊維強化炭素複合材料の原子力分野への応用

石原 正博

炭素, (208), p.135 - 144, 2003/09

https://doi.org/10.7209/tanso.2003.135

炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材)は、高い耐熱性から原子力分野において有望な構造材の一つとして考えられている。出口ガス温度が最大約1000となる高温ガス炉では、制御棒被覆管や炉心拘束機構などの高性能炉内構造物への応用が期待されている。さらに、核融合炉では、高温で高中性子照射及び粒子衝突を受けるプラズマ対向機器への応用が期待されている。本稿では、両炉へのC/C複合材の応用についての研究開発の現状を述べるとともに、今後の展望について述べる。

HTTR照射試験用試料データ集; 第1次及び第2次照射試験用

馬場 信一; 石原 正博; 鈴木 世志夫*; 高橋 常夫*; 星屋 泰二

JAERI-Data/Code 2002-008, 126 Pages, 2002/03

JAERI-Data-Code-2002-008.pdf:4.82MB

高温工学試験研究炉(HTTR)を用いた高温工学に関する先端的基礎研究の課題は、次に示した3分野が選定されている。(1)新素材・材料開発分野,(2)放射線化学・核融合関連分野,(3)高温照射技術・その他原子力関連分野。これら3分野のうち7研究課題がHTTRを用いた照射試験の有効性を調べるための予備試験を実施中で、これらの中から平成15年度から開始予定のHTTR照射試験を実施する研究テーマとして、(1)新素材・材料開発分野の中から次の3研究課題が選択されている。第1次(平成15年度)及び第2次(平成16年度)照射試験ホルダーに試験片を装荷した。(1)中性子転換ドーピングによる高温・SiC半導体創製の研究,(2)高温酸化物超伝導材料の照射による特性改良の研究,(3)耐熱セラミックス複合材料の照射損傷機構に関する研究。本報告書は、第1次及び第2次HTTR照射試験用ホルダーと装荷した試料に関する技術データーについてまとめたものである。

Thermal cycle experiments of neutron-irradiated CFC/Cu mock-ups

佐藤 和義; 石塚 悦男; 内田 宗範*; 河村 弘; 江里 幸一郎; 谷口 正樹; 秋場 真人

Physica Scripta, T91, p.113 - 116, 2001/07

https://doi.org/10.1238/Physica.Topical.091a00113

2種類のアーマ材からなるダイバータ模擬試験体を中性子照射して高熱負荷試験を実施し、アーマ材の影響を調べた。試験体は、1次元及び2次元の炭素繊維強化炭素複合(CFC)アーマ材とアルミナ分散強化銅製冷却構造体からなり、無酸素銅の中間層を介して銀ろうで接合した構造である。試験体の照射温度は280~320、照射損傷量0.3~0.5dpaである。本試験体をITER定常熱負荷条件を模擬した5MW/mで10s間の加熱を実施した結果、照射量0.43dpaの1次元材及び2次元CFC材の表面温度は、それぞれ650及び1200に達し、未照射材より高くなった。これ、CFC材の熱伝導率が中性子照射によって低下したためであるが、その低下する割合は1次元及び2次元とも同程度であった。また、1000回の熱サイクル試験を実施した結果、接合部の剥離等は認められなかった。

耐熱セラミックス複合材料の照射試験; 第1次予備照射試験(97M-13A)照射後試験中間報告

馬場 信一; 鈴木 世志夫*; 高橋 常夫*; 石原 正博; 林 君夫; 斎藤 保; 相沢 静男; 斎藤 隆; 関野 甫

JAERI-Research 2001-028, 109 Pages, 2001/03

JAERI-Research-2001-028.pdf:4.55MB

原研では、高温工学試験研究炉(HTTR)を用いた先端的基礎研究の課題の1つである「耐熱セラミックス複合材料の照射損傷機構の研究」のため、材料試験炉(JMTR)を用いた予備照射試験を進めている。本報告は、このうちの最初のキャプセル(97M-13A)に装荷した試料について、これまでに行った照射後試験(PIE)の結果をまとめたものである。照射後試験は(1)寸法変化(2)熱膨張率(3)X線パラメータ(4)不純物放射能について測定した。黒鉛系及びSiC系複合材料の測定結果は、既存の文献データと同様の傾向を示した。SiC繊維強化及びSiC粒子分散強化複合材料については、モノリシック材料と同様に、温度モニター効果が観察された。

Dynamic effect on strength in SiC/SiC composite

二川 正敏; 田辺 裕治*; 涌井 隆*; 粉川 広行; 日野 竜太郎; 衛藤 基邦

International Journal of Impact Engineering, 25(1), p.29 - 40, 2001/01

https://doi.org/10.1016/S0734-743X(00)00036-1

SiCセラミックは、高温強度、耐食性に優れ、かつ低放射化材料であることから、特殊環境下で使用される原子炉構造材料として期待されている。しかしながら、強度のばらつきが大きく脆性であることから、実用化に向け課題が多い。近年、脆性を克服するためにSiC長繊維で強化したSiCセラミックス複合材料が開発されている。繊維強化複合材料の非脆性化あるいは高強度発現機構は、繊維・マトリックス界面特性に大きく依存する。そこで、繊維含有率、繊維被覆材(C,BN)を変えて、衝撃荷重を含む広範囲の荷重速度(10~200l/s)下で引張強度試験を行い、強度及び変形と界面特性の関係について調べた。準静的界面強度は微小押込み試験法により、また動的効果については破面に残存する繊維引き抜き長さから評価した。その結果、繊維被覆厚さの増加及び負荷速度の減少に従って、繊維引き抜き長さが増加し、変形に対する非線形性(非脆性化)が現れること、衝撃強度は準静的強度より増加することを明らかにした。