| Project/Area Number |
21K14559
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 31010:Nuclear engineering-related
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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, 准教授 (10738967)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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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 / ハイエントロピー合金 / 粒子分散 / ボイドスエリング / 高燃焼度用炉心材料 |
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| Outline of Research at the Start |
次世代原子炉の炉心材料が抱える最大の課題は、高温で重度の中性子照射を受け、材料中に欠陥が蓄積することで生じる体積膨張(ボイドスエリング)である。本研究では、照射によるボイドスエリングを大幅に低減することを目指し、優れた材料特性(熱的安定性、高温強度、高疲労強度、耐腐食性)を有するハイエントロピー合金に対し、照射による欠陥の消滅場所となるナノサイズ粒子を材料内部に微細かつ高密度に分散することで、耐ボイドスエリング性を付与した新しい合金を創製する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究のこれまでの取り組みにより、メカニカルアロイング法及び放電プラズマ焼結法を用いて、直径10～150 nmの微細な粒子が分散した粒子分散型ハイエントロピー合金（ODS-HEA）を創製可能であることが明らかとなった。本ODS-HEAは、出発原料粉末としてCr,Fe,Mn,Niの単体元素粉末を使用可能であり、メカニカルアロイングによってFCC単相合金を形成する。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。一方、引張強度特性を調査した結果、単体元素粉末から作製した試料よりもガスアトマイズ合金粉末から作製した試料の方が高強度であり、組織観察の結果、分散粒子のサイズ低下及び分散状態の均質性の向上が確認された。よって、ガスアトマイズ合金粉末を出発原料として本合金を作製することが現時点での最適な作製方法と言える。
体積膨張(スエリング)抵抗性の評価のため、ODS-HEAの先行試作材に対するFe＋He＋Hトリプルイオン照射試験を行い、ナノ粒子を有しないプレーンなHEAと比較した結果、キャビティの平均サイズの減少及びスエリングの大幅な低下が確認され、ODS-HEAの優位性が示された。一方で、試作材中には粗大CrMn酸化物が形成し、その近傍には粗大キャビティが観察されたことから、さらなるスエリング性向上のためには粗大CrMn酸化物の抑制が必要である。
また、超高圧電子顕微鏡を使用した電子線照射その場観察試験を実施し、ODS-HEA中のナノ粒子/母相界面の影響を調査した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本合金（ODS-HEA）は、ナノサイズ粒子を材料内部に微細かつ高密度に分散し、ナノ粒子/母相の界面が照射導入点欠陥の消滅場所となることで、耐スエリング性を向上させることを意図している。
スエリング抵抗性を定量的に評価するため、試作材に対するFe＋He＋Hトリプルイオン照射試験を行い、照射後組織の微細組織を精査した結果、ODS-HEAのスエリングは316Lに比べて大きく低下した。また、ODS-HEAとナノ粒子を有しないHEAを比較すると、キャビティの平均サイズは小さくなり、スエリングも大幅に減少した。一方、試作材中には粗大CrMn酸化物が形成し、その近傍には粗大キャビティが観察されたことから、さらなるスエリング性向上のためには粗大CrMn酸化物の抑制が必要であることを明らかにしている。
ODS-HEA中のナノ粒子/母相の界面が損傷組織発達に及ぼす影響を精査するため、北海道大学の超高圧電子顕微鏡を使用した500 ℃における電子線照射その場観察試験を実施した。ODS-HEAは比較材であるODS-316Lに比べキャビティ密度は減少する結果となり、HEA母相の格子ひずみにより点欠陥の移動が抑制され、キャビティの核形成が抑制されたことを示唆している。なお、電子線照射試験に用いる超高圧電子顕微鏡の試料ホルダのヒータ部が故障し、加熱照射試験が一時的に実施できなかったため、他の温度条件による照射試験は次年度に実施する。
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| Strategy for Future Research Activity |
超高圧電子顕微鏡を用いた電子線照射実験による損傷組織発達挙動のその場観察を、引き続き実施していく。各種先進炉の運転温度条件における挙動把握のため、500 ℃での組織発達挙動の精査に加え300及び400℃での照射を行い、ナノ粒子/母相の界面微細構造が照射欠陥形成に及ぼす影響、及び界面における核変換ガス元素（ヘリウム）と点欠陥の相互作用を精査する。また、分散状態が最適化された第2期試作材に対するイオン照射及び組織解析を進める。
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