Elucidation of the radiation-induced amorphization mechanism of fine precipitates in nuclear materials by atomic resolution analysis

• Project/Area Number: 22K04982
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 叶野 翔 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任研究員 (00742199)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: 照射誘起非晶質化 / イオン照射 / M23C6 / 高分解能透過電子顕微鏡 / 照射損傷

Outline of Research at the Start

本申請では、原子分解能解析による原子力材料中の微細析出物の照射誘起非晶質化の機構解明に挑戦する。モデル材等において照射による析出物内部の照射組織発達について、吸光分光、X線回折法等による評価、さらに、計算科学的アプローチを駆使することで、これまでの透過電子顕微鏡（TEM）観察で得られていたデータに匹敵/凌駕する知見の取得を目指す。そして、非晶質化への照射量、照射温度依存性評価を通し、新しい非晶質化機構の妥当性を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

近年の原子力材料研究では、酸化物分散強化鋼に代表されるように、材料中に微細析出物を分散させることで、種々の材料特性の改善が図られている。これ故、材料中の微細析出物の照射下相安定性については、重要な評価項目として認識されており、世界的ムーブメントが起きている。材料中の微細析出物（炭化物、酸化物、窒化物）の照射下安定性については、1980年代より、その研究骨格が構築されてきており、アンチサイト欠陥形成やケミカルディスオーダリング等、結晶の長周期構造の乱れに端をなした系のエントロピー増加が非晶質化のトリガーと認識されている。これらより、本申請では、原子分解能解析による原子力材料中の微細析出物の照射誘起非晶質化の機構解明を研究目的とし、そのモデル材の作製と照射組織発達を評価した。ここでは、核融合炉構造材料中に存在する炭化物を対象とし、そのモデル材としてCrを主成分とする炭化物インゴットを真空誘導加熱炉にて作製した。また、これらの化学組成を制御することで、照射誘起非晶質化に対する炭化物の化学組成影響を調査した。その結果、照射誘起非晶質化は炭化物中の固溶W濃度に強く依存し、その発現濃度が＞10 at.%Wと推定された。なお、格子定数のW濃度依存性の評価結果では、実機材料中での炭化物組成がCr13Fe9W1C6で表現され、これは、アトムプローブ分析の結果と良い一致を示した。これらより、モデル材中における照射誘起非晶質化はWの高濃度化に由来した不安定化であったのに対し、実機材料中の微細炭化物では、多元素化に伴う系の混合エントロピーの増加に起因した照射誘起非晶質化と考察された。これ以外にも、EELS法を駆使した結合状態評価、ならびに、Voronoi解析を用いた局所結晶構造解析を通し、照射誘起非晶質化に伴う原子スケールの変位を可視化することに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Transmission electron microscopy study of the radiation-induced amorphization in the Cr-W-C ternary M23C6 (2024)
  • Author(s): Kano Sho、Yang Huilong、Ando Masami、Hamaguchi Dai、Nozawa Takashi、Tanigawa Hiroyasu、Shibayama Tamaki、Abe Hiroaki
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 594 Pages: 155012-155012
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2024.155012
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phase Stability under Irradiation of Secondary Phase Particles in the Nuclear Material (2023)
  • Author(s): Kano Sho、Yang Huilong、Abe Hiroaki
  • Journal Title: Materia Japan Volume: 62 Issue: 3 Pages: 159-163
  • DOI: 10.2320/materia.62.159
  • ISSN: 1340-2625, 1884-5843
  • Year and Date: 2023-03-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of solid solution tungsten on the radiation-induced amorphization in bulk M23C6 fabricated by vacuum induction melting (2023)
  • Author(s): Kano Sho、Yang Huilong、Ando Masami、Hamaguchi Dai、Nozawa Takashi、Abe Hiroaki
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 587 Pages: 154740-154740
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2023.154740
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical and topological disordering in M23C6 due to irradiation: An atomic-scale observation (2023)
  • Author(s): Kano Sho、Yang Huilong、Ando Masami、Hamaguchi Dai、Nozawa Takashi、Tanigawa Hiroyasu、Shibayama Tamaki、Abe Hiroaki
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 587 Pages: 154733-154733
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2023.154733
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radiation-induced amorphization behavior of thermally-aged M₂₃C₆ in F82H-BA12 steel (2023)
  • Author(s): Kano Sho、Yang Huilong、Holmes Reuben、Ando Masami、Hamaguchi Dai、Nozawa Takashi、Shibayama Tamaki、Abe Hiroaki
  • Journal Title: Journal of Nuclear Science and Technology Volume: 5 Issue: 10 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1080/00223131.2023.2188271
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modification of the high fluence irradiation facility at the University of Tokyo: Assessment of radiation-induced amorphization of Zr(Cr,Fe)2 Laves phase under 180?keV-He+ irradiation (2022)
  • Author(s): Kano Sho、Yang Huilong、Murakami Kenta、Abe Hiroaki
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms Volume: 531 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2022.09.017
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phase decomposition of oxide film of flow accelerated corroded F82H steel under high-temperature iron irradiation (2022)
  • Author(s): Sho Kano, Huilong Yang, John McGrady, Motoki Nakajima, Masami Ando, Takashi Nozawa, Hiroaki Abe
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 563 Pages: 153639-153639
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2022.153639
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] F82H鋼中の第二相粒子の照射誘起非晶質化（第五報） (2024)
  • Author(s): 叶野翔、阿部弘亨、安堂正己、渡辺淑之、濱口大、野澤貴史、吉田健太、柴山環樹
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] F82H鋼中の第二相粒子の照射誘起非晶質化 （第四報） (2023)
  • Author(s): 叶野翔、阿部弘亨、安堂正己、渡辺淑之、野澤貴史
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] F82H鋼中の第二相粒子の照射誘起非晶質化（第三報） (2023)
  • Author(s): 叶野翔、阿部弘亨
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] Radiation-induced amorphization of M23C6:An atomic-scale observation (2023)
  • Author(s): Sho Kano, Reuben Holmes, Hiroaki Abe, Huilong Yang, Masami Ando, Dai Hamaguchi, Takashi Nozawa, Hiroyasu Tanigawa, Tamaki Shibayama
  • Organizer: 21st International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-21)
• [Presentation] F82H鋼中の第二相粒子の照射誘起非晶質化（第３報） (2023)
  • Author(s): 叶野翔、阿部弘亨
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] F82H鋼中の第二相粒子の照射誘起非晶質化（第二報） (2022)
  • Author(s): 叶野翔、楊会龍、安堂正巳、野澤貴史、阿部弘亨
  • Organizer: 日本金属学会