Concurrent effects of hydrogen and irradiation defects in alloys

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H01913
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 阿部 弘亨 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40343925)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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) ; 楊 会龍 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 特任助教 (10814254) ; 村上 健太 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50635000)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 腐食 / 水素化 / 照射効果 / 酸化物分散強化鋼 / ジルコニウム合金

Outline of Annual Research Achievements

申請者らは照射その場観察法等により金属材料の強化因子であるナノ粒子の不安定化や過飽和溶質原子の析出など、新たな照射誘起型固相反応現象を見出してきた。これは、照射環境においてプラント構造材料の強度劣化につながる可能性があり、原子炉構造材料や原子燃料被覆管材料、核融合炉構造材料の健全性評価にとって重要な現象となり得る。本研究では、鉄鋼およびZr合金中の材料強化因子に対する照射影響を組織-強度相関の視点で調査し、水素化の重畳効果を実験的に検出し、原子炉内と炉外における材料劣化を比較し、照射・水素化重畳影響を評価することとした。
鉄鋼中の酸化物ナノ粒子の照射下挙動解明のため、照射下その場観察実験により酸化物微粒子は成長と収縮をランダムに繰り返し、長期的に収縮、消滅の途をたどることを確認した。このランダムなサイズ変化の過程が照射の初期に典型的な事象であることを見出し、結晶成長の古典論であるオストワルド成長理論を適用した検討を行い、nm程度のサイズや結晶性を考慮した修正が必要であることを指摘した。この現象が機械強度に対して及ぼす影響についても、ナノ硬度測定と電子後方散乱回折（EBSD）を組み合わせた独自性の高い手法を開発して明らかにすることに成功した。本件は、Journal of Nuclear Materials誌において表彰を受けた。
次に、Zr合金を対象として照射-水素重畳効果の測定を行った。水素約100ppm注入材では照射軟化が生じ、注入量の増加に伴い照射硬化が顕在化することを見出した。さらに照射組織発達過程に対する水素の影響を明らかにした。この成果は原子力学会にて優秀学生発表として表彰された。また、管形状材料の機械強度に対する水素影響を明らかにした。Zr金属の酸化被膜表面における水素発生挙動に対し照射加速効果があることを確認した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Radiation-induced amorphization of M23C6 in F82H steel: An atomic-scale observation (2022)
  • Author(s): S. Kano, H.L. Yang, J. McGrady, Y. Watanabe, M. Ando, D. Hamaguchi, T. Nozawa, H. Tanigawa, K. Yoshida, T. Shibayama, H. Abe
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 558 Pages: 153345
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2021.153345
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hardening behavior and deformation microstructure beneath indentation in heavy ion irradiated 12Cr-ODS steel at elevated temperature (2021)
  • Author(s): H.L. Yang, S. Kano, J. McGrady, J.J. Shen, Y.F. Li, D.Y. Chen, K. Murakami, H. Abe
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 543 Pages: 152606
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2020.152606
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Flux effects on point defect behavior by tracking loop evolution using combined irradiation method (2021)
  • Author(s): D. Chen, K. Murakami, H.L. Yang, L. Chen, H. Abe, Z. Li, N. Sekimura
  • Journal Title: Scripta Materilia Volume: 207 Pages: 114311
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2021.114311
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Changes in properties of alpha-quartz and feldspars under 3 MeV Si-ion irradiation (2021)
  • Author(s): V.N. Luu, K. Murakami, H. Samouh, I. Maruyama, T. Ohkubo, P.P. Tom, L. Chen, S. Kano, H.L. Yang, H. Abe, K. Suzuki, M. Suzuki
  • Journal Title: Journal of Nuclear Materials Volume: 545 Pages: 152734
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2020.152734
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] H2 generation at metal oxide particle surfaces under γ-radiation in Water (2021)
  • Author(s): J. McGrady, S. Yamashita, S. Kano, H.L. Yang, H. Abe
  • Journal Title: Journal of Nuclear Science and Technology Volume: 58 Pages: 604-609
  • DOI: 10.1080/00223131.2020.1847705
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Heterogeneous irradiation-induced hardening in a ferritic 12Cr-ODS steel (2021)
  • Author(s): H.L. Yang, S. Kano, J. McGrady, J.J. Shen, Y.F. Li, D.Y. Chen, K. Murakami, H. Abe
  • Organizer: 20th International Conference of Fusion Reactor Materials (ICFRM20)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-situ TEM observation of the dissolution and re-precipitation behavior of hydrides in Zircaloy-4 (2021)
  • Author(s): Simian Liu, Huilong Yang, Sho Kano, Hiroaki Abe
  • Organizer: 日本原子力学会2021年秋の大会
• [Presentation] High Temperature Hoop Deformation of Zircaloy- 4 Nuclear Fuel Cladding using Advanced Expansion due to Compression Test (2021)
  • Author(s): Neli Sashkova Nikolova, Huilong Yang, Sho Kano, Hiroaki Abe
  • Organizer: 日本原子力学会2021年秋の大会