2021 Fiscal Year Research-status Report
ボイドスエリングの大幅低減を目指した高燃焼度炉心材料用ハイエントロピー合金の創製
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21K14559
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
岡 弘 北海道大学, 工学研究院, 助教 (10738967)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 第4世代原子炉 / SMR / 酸化物分散強化 / ODS / メカニカルアロイング / 照射損傷 / 点欠陥 / シンクサイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、第4世代炉の高燃焼度用炉心材料として、耐照射性が高いと注目されているハイエントロピー合金(HEA)中に、点欠陥の消滅場所となるナノサイズの粒子を微細かつ高密度に分散した新しい合金を創製することを目指している。研究の第1段階は新しい合金の創製であり、メカニカルアロイング法（MA）によりHEA中に粒子を分散させ、分散状態の最適化を図る。第2段階では、試作した合金に対して中性子照射を模擬したイオン照射を行い、微細組織観察により耐ボイドスエリング性を検証する予定である。
研究の第1段階として、FCC型HEAであるCrFeMnNi系の母相合金中にY2O3を分散させることに成功した。Cr,Fe,Mn,Niの単体元素粉末及びY2O3を遊星型ボールミルにてMA処理することで、母相を合金化するとともにY2O3を母相に強制固溶させた。その際、エタ―ノール等の有機化合物系潤滑剤を使用せずに合金化することに成功しており、有機化合物に由来する不純物混入を防止している。次にMA粉末の固化焼結では放電プラズマ焼結（SPS）装置を使用し、Mnの揮発が激しくならない温度にて焼結を行った。得られたバルク試料の母相は、目的のFCC単相を有し、微細結晶粒組織となっていた。また、直径10～150 nmの微細な粒子が分散しており、組成分析及び結晶構造解析から当該析出物はY2O3であると同定した。また、Y2O3添加量を最大4wt%まで変動させたところ、析出した微細粒子のサイズd及び数密度Nの積N・dは試料の硬さと相関関係を示し、分散強化機構が支配的であるといえる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度はボールミル法による試料作製の成立性について確認した。適切な濃度の単体元素粉末の組み合わせにより目的のFCC型HEA母相合金が得られること、及び有機化合物系潤滑剤を使用せずに合金化することが可能であることが明らかとなった。また、適切な固化温度条件を選択することで、Mnの揮発を抑制しつつ、FCC母相を形成し且つ微細粒子を析出させることができている。一方、課題として分散粒子のサイズ・分散状態にばらつきがあり、粗大な（～150 nm程度）の粒子もみられ、数密度は低い。分散粒子が照射下での点欠陥のシンクサイトとして機能するには、さらに高い数密度が必要であり、分散状態に改善の余地がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
微細粒子の分散状態最適化のため、微量元素としてTiを添加し、微細なY-Ti-O系粒子を分散させて数密度向上を図る。また、メカニカルアロイング条件及び焼結条件の検討を行ったうえで引張試験による強度測定を行い、試作合金のバルク強度特性を調査する。特にSPS焼結密度はバルク特性に大きく影響するため、焼結時の圧力や保持時間を精査する。
その後、分散状態が最適化された合金についてイオン照射を行い、作製した合金のボイドスエリング抵抗性を定量的に評価する。比較材としてアーク溶解にて作製した分散粒子を有しないHEA及び316L鋼も照射する。CrFeMnNi系の照射後組織では表面に酸化物の形成が確認されており、照射による拡散の促進とMn,Crの優先的な酸化によるものと推察されており、分散粒子が酸化物形成に与える影響もについても検討が必要である。
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| Causes of Carryover |
参加を予定していた学会がオンライン開催となり旅費が不要になったことから、次年度への繰越額が生じた。繰越分は、装置利用料、外注費及び消耗品購入に充てる予定である。
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