令和3年度研究開発・評価報告書 評価課題「中性子及び放射光利用研究開発」(事前評価)

物質科学研究センター

JAEA-Evaluation 2022-013, 105 Pages, 2023/03

JAEA-Evaluation-2022-013.pdf:13.08MB

国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(以下「原子力機構」という)は、「国の研究開発評価に関する大綱的指針」(平成28年12月21日内閣総理大臣決定)及びこの大綱的指針を受けて作成された「文部科学省における研究及び開発に関する評価指針」(平成29年4月1日文部科学大臣決定)、並びに原子力機構の「研究開発課題評価実施規程」(平成17年10月1日制定、令和2年4月22日改正)等に基づき、令和3年8月17日に第4期中長期計画に対する事前評価を中性子及び放射光利用研究開発・評価委員会に諮問した。これを受けて、中性子及び放射光利用研究開発・評価委員会は、委員会において定められた評価方法に従い、原子力機構から提出された令和4年4月から令和11年3月までの第4期中長期計画における中性子及び放射光利用研究の実施に関する説明資料の検討、並びに物質科学研究センターのセンター長及びディビジョン長、J-PARCセンターの副センター長及び物質・生命科学ディビジョン中性子利用セクションリーダーによる口頭発表と質疑応答を実施した。本報告書は、中性子及び放射光利用研究開発・評価委員会より提出された事前評価の内容をまとめるとともに、「評価結果(答申書)」を添付したものである。

Corrosion fatigue crack growth behavior of a structurally gradient steel for high-speed railway axles

Ao, N.*; Zhang, H.*; Xu, H. H.*; Wu, S. C.*; Liu, D.*; 徐 平光; Su, Y. H.; Kang, Q. H.*; Kang, G. Z.*

Engineering Fracture Mechanics, 281, p.109166_1 - 109166_14, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109166

Considering the complex service environments that high-speed railway axles are subjected to, the fatigue crack growth (FCG) behavior of a structurally gradient axle steel with different pre-crack depths both in air and corrosive medium was investigated at a frequency of 5 Hz. The results indicated that in the high region, FCG rate was dramatically accelerated by corrosion, but the gap narrows as decreased. The accelerated corrosion FCG rate was a comprehensive result of the acceleration effect of the anodic dissolution, hydrogen-enhanced localized plasticity and the retardation effect of corrosion-induced crack-tip blunting. Despite the fact that the corrosion resistance gradually decreased as the pre-crack depth increased, the FCG rate in the corrosive medium gradually decreased. This was because fatigue loading played a more important role than corrosion in accelerating the corrosion FCG rate.

Compressive deformation behavior of AZ31 alloy at 21K; An neutron diffraction study

Gong, W.; 川崎 卓郎; Zheng, R.*; 眞山 剛*; Sun, B.*; 相澤 一也; Harjo, S.; 辻 伸泰*

Scripta Materialia, 225, p.115161_1 - 115161_5, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115161

Deformation behavior during uniaxial compression at 21 K and 298 K in a commercial AZ31 magnesium alloy was studied by neutron diffraction. Decreasing the deformation temperature resulted in a slight increase in yield stress (115 MPa 139 MPa), but a remarkable enhancement in both the fracture stress (365 MPa 551 MPa) and fracture strain (12.8% 16.5%). The low temperature sensitivity of the {102} extension twinning which governed the macroscopic yielding led to the slight increase in yield stress. At 21K, basal slip was suppressed, while the extension twinning was promoted resulted in higher twin volume fraction. In the late stage of deformation, the {101}-{102} double twinning was suppressed, which is considered to be the reason to delay the fracture at 21 K.

JRR-3 1次冷却材熱交換器の開放点検

宇野 裕基; 大内 靖弘; 大内 諭; 馬場 亮太; 菊地 将宣; 川又 諭

JAEA-Technology 2021-046, 39 Pages, 2023/02

JAEA-Technology-2021-046.pdf:3.76MB

JRR-3(Japan Research Reactor No.3)は、最大熱出力20MWの低濃縮ウラン軽水減速軽水冷却プール型研究用原子炉である。平成2年11月から改造後の供用運転を開始し、各種照射設備及び中性子ビーム実験装置を装備した原子炉施設として高い中性子束を利用者に提供している。現在は、平成23年3月11日の東日本大震災の影響により延長していた施設定期自主検査期間を経て、新規制基準の適合性に対応し、約10年ぶりとなる運転の再開を果たしている。早期運転再開を目指す施設定期自主検査期間中の平成29年度には、保全計画に基づく1次冷却材熱交換器No.1及びNo.2の開放点検を実施した。本報告書は1次冷却材熱交換器の開放点検について、点検記録及び点検実績を纏めるとともに今後の点検保守に資するためのものである。

JRR-3制御棒駆動機構及び制御棒駆動機構案内管の耐震評価

菊地 将宣; 川村 奨; 細谷 俊明

JAEA-Technology 2021-040, 86 Pages, 2023/02

JAEA-Technology-2021-040.pdf:3.26MB

JRR-3原子炉施設では、平成25年12月に施行された試験研究用等原子炉施設に対する新規制基準を受け、新規制基準適合性確認のため新たに基準地震動を策定し、当該地震動を用いて本原子炉施設に設置されている設備、機器、構築物の耐震評価を実施した。本報告書は、耐震評価を実施した設備、機器、構築物のうち、時刻歴応答解析で耐震裕度の厳しい結果が得られた制御棒駆動機構及び制御棒駆動機構案内管について、より詳細な評価手法である疲労評価を採用し、評価した結果を示すものである。評価の結果、制御棒駆動機構及び制御棒駆動機構案内管は十分な耐震裕度を有していることを確認した。

Investigation of hydrogen superoxide adsorption during ORR on Pt/C catalyst in acidic solution for PEFC by high energy resolution XAFS

山本 直生*; 松村 大樹; 萩原 悠人*; 田中 啓偉*; 長谷川 優太*; 石井 賢司*; 田中 裕久*

Journal of Power Sources, 557, p.232508_1 - 232508_10, 2023/02

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232508

Oxygen Reduction Reaction (ORR) is one of the key electrochemical reactions, especially in Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs). In this work, the reaction pathway and intermediate species such as molecular-type oxygen during ORR were discussed. High energy resolution X-ray absorption fine structure spectra at the Pt L-edge were obtained to observe the electronic structure of Pt catalyst. Carbon-supported Pt nanoparticles as powder catalysts were used for measurement as more realistic conditions, and the species adsorbed on the Pt nanoparticles were analyzed while controlling under the potentials in acidic electrolyte solution with N or O gas bubbling. Molecular-type oxygen adsorption species is observed only in the O-bubbled electrolyte solution. This intermediate adsorption species is assigned to a hydrogen superoxide.

半導体の最先端

津田 泰孝

日本海新聞, P. 7, 2023/02

我々が普段使っているスマートフォンやPCがどのように動いているかご存じだろうか。それらの中で行われる高度な電子制御の鍵を握るのは、半導体と呼ばれる物質である。半導体とは、条件により電気を通す性質と通さない性質の両方を示す物質であり、特に代表的な半導体であるシリコンはあらゆる電化製品に利用されている。電子機器の制御をおこなう集積回路は、シリコンを酸素と反応させ、酸化膜を表面に形成するというプロセスを経て作られる。高性能な回路を構築するためには、この酸化膜をできるだけ薄く作ることが必要であり、近年その薄さはおよそ1ナノメートル(十億分の一メートル)にまで達している。これは物質を形作る原子の数で言いかえると、わずか数個分という薄さである。ここにほんの少しでも原子の抜け(欠陥)が存在すると消費電力の増加や誤作動といった問題が起こる。欠陥の少ない良質な酸化膜を作成するためには、反応を理解し、精密に制御することが必須である。シリコンと酸素との反応メカニズムは、未だ全貌が理解されているとはいえず、半導体産業の最先端では日々研究が進められている。しかし、反応式にしてしまえばSi+O SiOという中学、高校で習うような簡単なものである。半導体に限らず、最先端の現場で活用される知識は、必ず学校で習う基礎と地続きである。子どもたちが学校でよく学び、将来活躍してくれることを期待している。

In-operando measurement of internal temperature and stress in lithium-ion batteries

平野 辰巳*; 前田 壮宏*; 村田 哲之*; 山木 孝弘*; 松原 英一郎*; 菖蒲 敬久; 城 鮎美*; 安田 良*; 高松 大郊*

SPring-8/SACLA利用研究成果集(インターネット), 11(1), p.49 - 57, 2023/02

https://doi.org/10.18957/rr.11.1.49

The temperature rise due to high current/power operations and stress caused by the expansion or contraction of electrodes by lithium (de)-intercalation is known to be a degradation factor in lithium-ion batteries (LIBs). Therefore, in this study, a new technique is proposed to simultaneously measure the internal temperature and stress in the 18650-type LIB during its operation. The operando measurement involved retaining a constant gage volume using rotating spiral slits, obtaining X-ray diffraction images using a highly sensitive two-dimensional detector, and employing the sin method to separate the stress and change in temperature. During the charging process, at the 1C current rate, the anode expansion, owing to the lithium intercalation, induced the radial compressive stress in the Cu anode collector. The radial stress changes of the Cu anode collector were -31 MPa (compression) and 44 MPa (tensile) during the 1C charge and discharge processes, respectively. Moreover, the internal temperature, which was higher than the surface temperature, was calculated by considering the radial stress change during the battery operation. During the 4C cycle, the surface and internal temperatures rose by 26 degree and 42 degree, respectively. The results indicate that the internal temperature and stress in the 18650-LIB were successfully measured during battery operation.

Electron storage performance of hybrid materials comprising polyoxometalates and carbon nanohorns as cathode-active materials

若松 勝洋*; 関原 輝昇*; 山口 慶彦*; 松島 諒*; 松村 大樹; Kuila, T.*; 吉川 浩史*

Batteries & Supercaps (Internet), 6(1), p.e202200385_1 - e202200385_8, 2023/01

https://doi.org/10.1002/batt.202200385

Nanohybrid materials comprising polyoxometalates (POMs) and nanocarbons have attracted considerable attention as electrode-active materials for rechargeable lithium-ion batteries (LIBs). These materials exhibit multi-electron redox reactions, resulting in an improved battery capacity. This study focuses on carbon nanohorns (CNHs) as a nanocarbon material and evaluates the battery performance using POM/CNH hybrids as cathode-active materials. X-ray absorption fine structural analysis was performed to investigate the reaction mechanism of these hybrids. POM/oxidized CNH (CNHox) hybrid materials maintain high capacities at high current densities as the high surface area availability of CNHox leads to high electrical double-layer capacitances. These findings show an improved performance of the as-developed material when compared with those reported in previous papers and can contribute toward an improved design of cathode-active materials for high-performance supercapacitors.

Fatigue crack non-propagation behavior of a gradient steel structure from induction hardened railway axles

Zhang, H.*; Wu, S. C.*; Ao, N.*; Zhang, J. W.*; Li, H.*; Zhou, L.*; 徐 平光; Su, Y. H.

International Journal of Fatigue, 166, p.107296_1 - 107296_11, 2023/01

https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2022.107296

Abnormal damages in railway axles can lead to a significant hazard to running safety and reliability. To this end, a surface treatment was selected to effectively inhibit fatigue crack initiation and growth. In this study, a single edge notch bending fatigue test campaign with artificial notches was conducted to elucidate the fatigue crack non-propagation behavior in railway S38C axles subjected to an induction hardening process. The fatigue cracking behavior in the gradient structure was revealed by optical microscopy, electron backscatter diffraction, and fractography. The microhardness distribution was measured using a Vickers tester. The obtained results show that the microhardness of the strengthening layer is nearly triple that of the matrix. Owing to the gradient microstructures and hardness, as well as compressive residual stress, the fatigue long crack propagates faster once it passes through the hardened zone (approximately 2.0 mm in the radial depth). Thereafter, local retarding (including deflection, branching, and blunting) of the long crack occurs because of the relatively coarse ferrite and pearlite in the transition region and matrix. Totally, this fatigue cracking resistance is reasonably believed to be due to the gradient microstructure and residual stress. These findings help to tailor a suitable detection strategy for maximum defects or cracks in railway axles.