2015 Fiscal Year Annual Research Report
アクチノイド融体物理化学を拓くウラン合金高温物性評価
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15H02343
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
山中 伸介 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00166753)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大石 佑治 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (20571558)
有田 裕二 福井大学, 学内共同利用施設等, 教授 (50262879)
有馬 立身 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60264090)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 静電浮遊法 / 粘性 / Zr-Fe合金 / 分子動力学計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
無容器のアプローチでは、U-Zr-Fe合金の試験に用いる静電浮遊装置の作製のために、まずJAXAが所有する静電浮遊装置を用いて実験を行い、Zr-FeやZr-Cr, Zr-Ni合金融体の密度、粘性及び表面張力を測定した。合金を構成する成分の蒸気圧に大きな差がある場合、合金を加熱すると蒸気圧の大きい成分が蒸発して合金組成が変化する可能性がある。静電浮遊実験では試料をレーザー加熱で溶融させるため、浮遊溶融実験中に試料の蒸発によって組成の変化が生じる恐れがある。そこで、誘導結合プラズマ法（ICP）やエネルギー分散型X線分光法（EDX）によって実験前後の組成の変化を調べた。その結果、これらの合金では浮遊溶融実験による組成の変化は無視できるほど小さいことが分かり、静電浮遊法を用いた物性測定に支障がないことが明らかになった。また、これらの実験を元に蓄積した知見とJAXAグループの技術的サポートの元、U-Zr-Fe合金の試験に用いる静電浮遊装置を設計し、大阪大学において作製した。Al球を用いて浮遊試験を行い、問題なくAl球を浮遊できることを確かめた。
有容器のアプローチについては、アクチノイドを含んだ合金の高温での粘度を測定することで、アクチノイド融体の物性発現を理解することを目的として、容器を用いた粘度測定装置の実用化を目指している。今年度は高温における反応性の高さを考慮して適切な容器材料を選択した。
計算機シミュレーションによるアプローチについては、今年度は金属燃料の分子動力学（MD）計算を実施する上で重要となる多体ポテンシャル関数を検討すると共に、酸化物燃料（ここではUO2）を対象として既知の2体原子間ポテンシャルを使って融点の評価手法について比較・検討した。
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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
Zr-FeやZr-Cr, Zr-Ni合金の静電浮遊溶融実験をJAXAの静電浮遊装置を用いて実施した。実験前後の合金組成を調べることで、レーザー加熱による合金組成の変化は無視できる程度であることを確かめ、静電浮遊実験に支障がないことを確認した。また、U-Zr-Fe合金の試験に用いる静電浮遊装置を大阪大学において作製し、浮遊試験にも成功した。
パラレルプレート法を用いた動的粘弾性測定装置に用いるプレート素材の選定のため、熱力学計算によって、粘度測定に用いることが予定されているU、Zr、Feと1500℃でも反応しない材料の検討を行った。その結果、通常使用可能なものとして、酸化イットリウムを選定し、Fe―Zr合金との反応性について検証した。1500℃でも反応は起こらず計画通り容器材料の選定を行った。
遷移金属のMD計算に適した多体ポテンシャル関数に、埋め込みポテンシャルと等価とされるタイトバインディングポテンシャルが存在し、しかも関数形が単純で、多くの遷移金属に適用されていることが分った。一方、酸化物ではPedone等の提案する2体ポテンシャルが多くの酸化物に適用可能であることが分った。UO2の融点手法を2相共存法、表面融解法、Isolated Boundary Condition法で評価した結果、これらの手法間に大きな差が生じないことが明らかとなった。
以上で述べた通り、研究はおおむね当初の計画通り進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
大阪大学で組み立てた静電浮遊装置を用いて、Zr-Fe合金試料の静電浮遊実験を行い、融体の密度、粘性、表面張力を測定する。これにより、Uを含む系でも物性測定が可能であることを確かめる。また、Zr-Fe合金との反応性の観点から選定した材質で、パラレルプレート法を用いた動的粘弾性測定装置で用いる粘度測定用の容器を作成し、模擬合金を用いて高温での粘度測定を実施する。計算については、タイトバインディングポテンシャルをMXDORTOプログラムに組み込み、金属燃料のMD計算を可能とする。まずは単純組成の金属燃料に対して融点を評価する。一方、酸化物に対しては粘性率の評価手法を確立し、その適用性を検討する。
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