| Project/Area Number |
21H04668
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
若井 栄一 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, J－PARCセンター, 研究職 (20360422)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柴山 環樹 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10241564)
牧村 俊助 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 先任技師 (10391715)
佐藤 紘一 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (30378971)
豊田 晃大 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 大洗研究所 高速炉サイクル研究開発センター, 研究職 (30912654)
涌井 隆 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, J－PARCセンター, 副主任研究員 (50377214)
石田 卓 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 講師 (70290856)
古谷 一幸 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (70354660)
鬼澤 高志 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 大洗研究所 高速炉サイクル研究開発センター, マネージャー (70421584)
岩元 洋介 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, マネージャー (10391327)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥43,030,000 (Direct Cost: ¥33,100,000、Indirect Cost: ¥9,930,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000)
Fiscal Year 2021: ¥23,530,000 (Direct Cost: ¥18,100,000、Indirect Cost: ¥5,430,000)
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| Keywords | ハイエントロピー合金 / チタン合金 / 4端子電気抵抗法 / 陽電子寿命測定 / 照射損傷 / 先進材料 / 非破壊試験 / 破壊靭性値 / ナノインデーテーション / 同時計測法 / イノベーション物質 / 照射線場 / 電気抵抗測定 / パルスレーザー照射 / 鉄系 / チタン系 / 放射線 / 同時計測 |
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| Outline of Research at the Start |
原子力、核融合、エネルギー等の分野では放射線による材料や機器の劣化が生じるため、高い耐久性向上や優れた機能を持つ材料開発が期待される。本研究ではイノベーション材料創出に向け、鉄系、チタン系、及びタングステン系の材料を主な研究対象とし、特に複雑系材料（ハイエントロピー合金、高密度ナノクラスターを持つ材料等）に対して放射線場でも材料の内部欠陥状態を電気抵抗測定、陽電子寿命測定及び応力負荷・計測が同時計測できる非破壊検査技術を新たに構築する。本装置による計測結果と関連する材料特性評価、並びに第一原理計算等の解析によってこのような物質の照射損傷の基礎過程や欠陥成長過程を解明し、基礎理論を先進化する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）放射線下のマルチ型計測システム： 放射線下で電気抵抗測定法と陽電子寿命計測法によるマルチ型計測システムの評価のため、放射線下で10 mの延長接続ケーブルを配線した4端子電気抵抗法で、約-269℃～約150℃の範囲で計測可能なシステムを構築し、京大のパルス電子線加速器（数MeV）を利用し、放射線環境下で良好な計測法の構築により、ハイエントロピ―合金（HEAと略す）の閾エネルギーの計測等を実施できた。一方、鹿児島大の放射線管理区域で、アバランシェ・フォトダイオード(APD)を用いた陽電子寿命測定装置の計測法を評価し、遮蔽体配置の最適化検討と実測から計測方法の課題点を明確化した。（２）新材料と工業材料の評価：低放射化性の元素を選択したFe基、Ti基、W基の3種類のHEA研究を進めた。Fe基HEAは、高い冷間加工性、空間的な階層構造から高い硬さを持ち、HIPによる飽和磁気の約30％の向上及び高い耐照射性を持った。Ti基HEAは、1200℃まで耐熱材インコネル713より優れた高温強度を持ち、W基HEAは、既存の金属材料の中で一番、高い硬さを持つこととナノインデンター法からセラミックスより優れた破壊靭性値を持つことを明らかにした。He雰囲気でメカニカルアロイング処理を行い、焼結したW合金の詳細なTEM観察とHeイオン照射を実施した。316FR鋼では、良好なクリープ強度の要因を調査するため、微細組織観察を実施し、粒界及び粒内に析出した析出物とクリープ強度の関係を評価した。Fe基HEAにおける固溶元素の緩慢拡散効果が酸化特性に及ぼす影響を明らかにするため、室温で約1年放置した試料と大気中で800℃、4時間保持したものを調べた結果、結晶粒界で多くの酸化物が緻密に形成し、粒内はファセットを有する小さな酸化物が分散・形成した。この他、Ti-64やTi-15-3の照射応答性の評価を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
イノベーション物質の創製では、良好な新物質（鉄基ハイエントロピー合金(HEA)、チタン基HEA及びタングステン基HEA)の創製とその評価が、分担者や協力者との連携によって、当初計画以上に進んだ。特に、チタン基HEAの高温強度特性の評価では、耐熱材料のインコネル713を超える高温強度特性を持つことを明らかにした。また、タングステン基HEAは、金属系で一番硬い特性を持つだけでなく、セラミックスの靭性を超えた、これまでにない新しい特性を持つ材料開発が進んだ。
照射下における非破壊検査システムとして、4端子電気抵抗測定法とAPD（アバランシェ・フォトダイオード）等を利用した陽電子寿命計測法の2つの手法の構築を進めた。この中で、パルス照射手法を利用して、4端子電気抵抗測定によるHEA材の照射欠陥検出とパルス波で発生する弾性波の計測に必要な精度を高めるため、環境や計測条件及び電圧ノイズフィルター等を組み合わせた実験は良好に進め、様々な材料の特性を得ることができた。これによって、HEAの種類が異なるHEAの閾エネルギーを測定する試験と評価を世界に先駆けて実施できた。また、パルス波を持つ高エネルギー粒子線による振動計測の試験では、実用的な工業機器や先進機器を想定し、工業的な材料で生じる振動現象の検知だけでなく、HEA材料が持つ特有な振動状態の計測を併せて実施することができた。また、放射線管理区域にて、APD法による陽電子の寿命計測法の計測システムを構築しながら、データ収集を行い、計測システムを改善する試験まで実施することができた。
以上のことから、現在までの進捗状況は、概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
イノベーション物質の創製では、原子力分野や高エネルギー加速器分野等の放射線下で使用される機器の高度化や高性能化のために必要とされる物質の創製が確実に進んできた。これらの物質の諸特性の試験と解析及び評価（改良含む）をさらに進める。これらによって、耐照射性能が高く、世の中に役に立つ優れたイノベーション物質の創製に導く。また、この中で特許申請と論文化を進めていく。これらと並行に、He雰囲気MAによって製造したタングステンのTEM観察に関して論文化を行い、Heシングルイオン照射した試料に関してTEM観察を進める。また、Ti基HEAとW基HEAにおける固溶元素の緩慢拡散効果が、酸化特性に及ぼす影響を明らかにするために高温酸化試験と表面及び断面の微細組織と元素分布についてSEMやTEMを用いて評価して論文に纏める。高速炉構造材料では、昨年度に続き、微細組織観察や元素マッピングを通して微細析出物に着目した316FR鋼のクリープ機構の解明を中心に解析して論文に纏める。また、予ひずみ負荷試験片の作製を継続実施して、その歪み解析では、応力や変形量だけでなく、電気抵抗測定法等を併用して行う。
一方、基礎的な弾き出し損傷過程の評価、並びに非破壊試験法として物質内で生じる振動状態を評価するため、京大リニアック電子加速器施設等を利用し、数MeVの電子線照射下で、純金属や新材料で生じる照射挙動の変化を、4端子電気抵抗測定装置で試験を行う。また、陽電子寿命測定装置による評価では、アバランシェ・フォトダイオードと光電子増倍管の配置を工夫し、検出効率を上げる。次に、BaF2よりもγ線の検出効率が高いNaIシンチレータを用いて検出効率を上げ、十分なカウント数のスペクトルを得る。このような計測方法に基づいた新しい計測技術や、これらを応用した実用機器への非破壊試験による材料損傷評価の実用化に繋げていく予定である。
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