Oxide particles in oxide dispersion strengthened steel neutron-irradiated up to 158 dpa at Joyo

外山 健*; 丹野 敬嗣; 矢野 康英; 井上 耕治*; 永井 康介*; 大塚 智史; 宮澤 健; 光原 昌寿*; 中島 英治*; 大沼 正人*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 599, p.155252_1 - 155252_14, 2024/10

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2024.155252

高速実験炉「常陽」で中性子照射した14Cr-ODS鋼(MA957)中の酸化物の安定性について3D-APとTEMを用いて評価を行った。中性子照射は、(502C, 130dpa)、(589C, 154dpa)及び(709C, 158dpa)の3条件で実施した。709C照射では僅かな数密度の減少が認められたが、酸化物は高い数密度を有しており、相対的に照射前後で顕著な変化は確認されず安定に存在していた。これらのことから、ODS鋼は、700C照射で約160dpaまで照射されたとしても強度は維持されることが示唆された。本研究成果の一部は、文部科学省の原子力システム研究開発事業による委託業務(JPMXD0219214482)として実施した。

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, 61(4), p.521 - 529, 2024/04

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。

J-PARC照射後試験施設概念検討

斎藤 滋; 明午 伸一郎; 牧村 俊助*; 平野 幸則*; 堤 和昌*; 前川 藤夫

JAEA-Technology 2023-025, 48 Pages, 2024/03

JAEA-Technology-2023-025.pdf:3.11MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)は、原子力発電に伴い発生する高レベル放射性廃棄物の減容化・有害度低減のため、加速器を使った核変換の研究開発として加速器駆動システム(ADS; Accelerator-Driven Systems)の開発を進めている。ADSの設計に必要な材料照射データベースを作成し、鉛ビスマス共晶合金(LBE; Lead-Bismuth Eutectic)中での照射効果について研究するため、J-PARCに陽子照射施設の検討を進めている。この陽子照射施設では、LBEの核破砕ターゲットに250kWの陽子ビームを入射し、ADSの構造材候補材についてLBE流動下での照射試験を実施する他、半導体ソフトエラー試験、医療用RI製造、陽子ビーム利用などを行う計画である。これらのうち照射済み試料の照射後試験(PIE; Post Irradiation Examination)とRIの分離精製は、陽子照射施設に付属して建設されるPIE施設において実施される。本PIE施設では、J-PARCの他の施設において照射された機器や試料のPIEも実施される予定である。本報告書は、この照射後試験施設の概念構築に必要な照射後試験項目、試験フロー、設備、試験装置等の検討を行い、施設内の配置案をまとめたものである。

材料中の水素分析用標準試料の開発

小河 浩晃; 石川 法人

2023年度大学研究助成技術研究報告書, p.123 - 134, 2024/03

高圧水素環境を想定したステンレス鋼の品質管理及び次世代の鉄鋼材料の開発では、腐食と水素脆性の評価が重要となる。水素脆性を引き起こす鉄鋼材料中の水素を分析するためには、二次イオン質量分析法(SIMS)などが使用される。従来の水素分析用標準試料の濃度は、1wt-ppmと微量であることが、水素分析を行う上で課題となっている。本研究では、水素インプラント法を用いて、鉄鋼材料中に水素をインプラントすることにより、局所的ではあるが、従来よりも高い水素濃度を持つ試料の作成を試みた。水素濃度分析は、タンデム加速器を用いた核共鳴核反応(NRA)法で評価した。水素分布は表面付近と局所的ではあるものの、従来よりも高濃度である、1,900wt-ppm程度の高い水素濃度を持つ試料の作成に成功した。

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.

Molecular dynamics simulation to elucidate effects of spatial geometry on interactions between an edge dislocation and rigid, impenetrable precipitate in Cu

津川 聖人*; 早川 頌*; 沖田 泰良*; 愛知 正温*; 板倉 充洋; 鈴木 克幸*

Computational Materials Science, 215, p.111806_1 - 111806_8, 2022/12

https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2022.111806

Molecular dynamics simulations were conducted to evaluate the interactions between an edge dislocation and a rigid, impenetrable precipitate in Cu by changing the distance between the glide plane of the dislocation and the center of the precipitate (). In these calculations, the precipitate was introduced as a super particle that moved according to the total force exerted by the matrix atoms on the precipitate atoms. When the center of the precipitate was close to the glide plane, an Orowan loop was formed around the precipitate after the dislocation detached, and the critical resolved shear stress (CRSS) was similar to the value evaluated by the results at . However, when the glide plane was far from the center of the precipitate, either a vacancy loop or loops generated through the Hirsch mechanism were formed, depending on whether the center of the precipitate was below or above the glide plane. The magnitude of the CRSS was not symmetric about . This study confirmed that it is necessary to analyze the CRSS by changing to construct a predictive model for the hardening caused by the formation of lattice defects, and that precipitate hardening appears to be smaller than the value estimated using the results at .