中性子照射した固体材料の動的損傷過程の研究

• 研究課題/領域番号: 04044126
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 広島大学
• 研究代表者: 下村 義治 広島大学, 工学部, 教授 (40033831)
• 研究分担者: ALFREDO Caro スイス連邦ポール, シェラー(PSI)国立研究所, 高等研究員 ; TOMAS Diaz d 米国ローレンス, リバモア国立研究所・凝縮固体及び分析科学部門, 高等物理研究員 ; MICHAEL.W.GU 米国ローレンス, リバモア国立研究所・凝縮固体及び分析科学部門, 高等物理主任研究員 ; 向田 一郎 広島大学, 工学部, 助手 (70209980) ; 守屋 健 名古屋工業大学, 工学部, 助教授 (40029525) ; 福島 博 広島大学, 工学部, 講師 (70156769) ; 桐谷 道雄 名古屋大学, 工学部, 教授 (70033826) ; CARO Alfredo Paul Sherrer Institute, Switzland ; TOMAS diaz de la rubia Lawrence Livermore National Laboratory ; GUINAN Michael W. Lawrence Livermore National Laboratory ; R.E.STOLLER ストーラー 米国オークリッヂ国立研究所, 金属・セラミックス部門・主任研究員, 上級研究 ; T.D.DE la Ru 米国ローレンス, リバモア国立研究所・凝縮固体及び分析科学部門, 上級研究員 ; M.W.GUINAN ガイナン 米国ローレンス, リバモア国立研究所・凝縮固体及び分析科学部門・主任研究員, 上級研究
• 研究期間 (年度): 1992 – 1993
• 研究課題ステータス: 完了 (1993年度)
• 配分額: 5,000千円 (直接経費: 5,000千円); 1993年度: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円); 1992年度: 2,700千円 (直接経費: 2,700千円)
• キーワード: 中性子照射損傷 / EAM多体ポテンシャル / ボイドの形成機構 / 分子動力学法 / 水素原子 / スーパー・コンピューター / 損傷動的過程 / ヘリウム原子 / 材料中性子照射損傷 / EAMポテンャン / ボイド形成機構 / 格子間原子集合体 / 動的挙動ムービー化 / カスケード・オーバーラップ

研究概要

中性子照射した固体内では中性子と固体原子の衝突による高エネルギー第一ノックオン原子の発生、変位カスケード損傷の形成とそれら損傷のオーバーラップ、高温では熱振動によるカスケード損傷の構造緩和、原子核反応に伴う水素やヘリウムのガス原子発生によるボイド及びバブルの形成、合金系での照射では偏析及び特殊な相の出現等を含む非常に複雑な過程を経て損傷組織構造は発達する。本年度の本研究では、高速増殖炉および核融合炉材料にて最も大きな損傷組織として問題になるボイド形成の原子レベル機構の解明について実験的およびシミュレーション研究にて大きな進歩があった。
1。挿入原子法(EAM=Embedded Atom Method)による原子ポテンシャルを用いての積層欠陥のエネルギー値が大小の両極端にある純銅および純ニッケルでのボイド形成の原子レベル機構を調べた。微小原子空孔集合体に水素がトラップされたとき水素はボイド表面を高速に走り回り原子空孔集合体が緩和して潰れることを阻止する事をスーパー・コンピューターを使っての分子動力学シミュレーション法により明らかにした。純銅では微小原子空孔集合体は潰れた構造の積層欠陥四面体構造に緩和する。水素がトラップされた時にはボイドに成長する。ヘリウム原子はトラップされるが高速で動き廻る事が出来ないでそれ自身ではボイド形成には貢献しない。純ニッケルでは事情が異なり水素原子が含まれなくてもボイドが形成する可能性がある。ニッケルについてはさらに詳しいシミュレーションを実行している。
2。上に述べたシミュレーション結果を実験的に確かめるために核分裂中性子にて重照射した試料中のボイドの形成を調べた。即ち、照射前に残留ガスを徹底的に除去した試料と除去してない試料を中性子照射してボイドの形成の差を調べた。残念ながら唯一つのキャプセルを除いては照射試料は照射中の雰囲気による試料の汚染および冷却用金属Naによる汚染がひどくこれら汚染された試料ではボイド形成に差は見られなかった。ところが一つのキャプセルだけ汚染されていないものがあった。このキャプセルの試料ではボイド試料には大きな差がありシミュレーション結果とよく合致するものであった。
3。核融合炉材料の核融合中性子照射ではヘリウム原子が多数発生してこれがボイド形成に重要な役割をすると言われている。この役割についてコンピューター・シミュレーションにより調べた。

研究成果

• [文献書誌] 福島博: "Damage structure due to displacement cascades in 14 MeV neutron irradiated metals studied by positron lifetime and TEM techniques" Journal of Nuclear Materials. 205. 59-67 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 下村義治: "Atomistics of void formation in irradiated copper" Journal of Nuclear Materials. 205. 374-384 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 下村義治: "VISIBILITY OF SMALL VACANCY CLUSTER OF THE SIZE OF 3 TO 15 ON STRUCTURE IMAGES OF HIGH RESOLUTION TEM" Computer Aided Innovation of New Materials II(Eds.by M.Doyama et al.,1993 Elsevier Sci.Pub.B.V.). 673-676 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 西口理恵子: "EXPECTATION TO ENERGY SELECTIVE NEUTRON IRRADIATION TEST FACILITY(ESNIT)FOR THE STUDY OF DAMAGE FORMATION OF FUSION REACTOR MATERIALS" Computer Aided Innovation of New Materials II(Eds.by M.Doyama et al.,1993 Elsevier Sci.Pub.B.V.). 677-680 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 福島博: "Dependence of Observed Cascade Defects on Neutron Spectrum and Dose in Au and Ag irradiated with Fission Fusion Neutrons at Low Temperature" Presented at Sixth International Conference on Fusion Reactor materials(Stresa,Italy,1993)and Journal of Nuclear Materials. (in press).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 向田一郎: "Experiments to Exame the Contribution of Gaseous Atoms on Void Formation in Irradiated Metals" Presented at Sixth International Conference on Fusion Reactor materials(Stresa,Italy,1993)and Journal of Nuclear Materials. (in press).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Fukusima.H: "Damage structure due to displacement cascades in 14 MeV neutron irradiated metals studied by positron lifetime and TEM techniques" Journal of Nuclear Materials. 205. 59-67 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Simomura.Y: "Atomistics of void formation in irradiated copper" Journal of Nuclear Materials. 205. 374-384 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Simomura.Y: "VISIBILITY OF SMALL VACANCY CLUSTER OF THE SIZE OF 3 TO 15 ON STRUCTURE IMAGES OF HIGH RESOLUTION TEM" Computer Aided Innovation of New Materials II (Eds.by M.Doyama et al., 1993 Elsevier Sci.Pub.B.V.). 673-676 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Nisiguchi.R: "EXPECTATION TO ENERGY SELECTIVE NEUTRON IRRADIATION TEST FACILITY (ESNIT) FOR THE STUDY OF DAMAGE FORMATION OF FUSION REACTOR MATERIALS" Computer Aided Innovation of New Materials II (Eds.by M.Doyama et al., 1993 Elsevier Sci.Pub.B.V.). 677-680 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Fukusima.H: "Dependence of Observed Cascade Defects on Neutron Spectrum and Dose in Au and Ag irradiated with Fission Fusion Neutrons at Low Temperature" Presented at Sixth International Conference on Fusion Reactor materials (Stresa, Italy, 1993) and Journal of Nuclear Materials. (in press).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Mukouda.I: "Experiments to Examine the Contribution of Gaseous Atoms on Void Formation in Irradiated Metals" Presented at Sixth International Conference on Fusion Reactor materials (Stresa, Italy, 1993) and Journal of Nuclear Materials. (in press).
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K.Yamakawa: "Void formation in neutron-irradiated Cu and Cu alloys" Journal of Nuclear Materials. 191-194. 396-400 (1992)
• [文献書誌] Y.Shimomura: "Computer Simulation of Void Formation in Copper" Trans.Mater.Res.Soc.Jpn.9. 122-128 (1992)
• [文献書誌] Y.Shimomura: "Computer-Simulation of Atomistics of Void Formation in neutron-Irradiated Metals" Proc.of the 4th Int.Conf.on Advanced Nuclear Energy Research-Roles and Direction of Material Science in Nuclear Technology- JAERI-M. 207. 372-377 (1992)
• [文献書誌] Y.Shimomura: "Atomistics of Void Formation in Ion-and Neutron-Irradiated Copper" J.Nucl.Mater.
• [文献書誌] Y.Shimomura: "Relaxation and Movement of Point Defect Cluster in Copper by Molecular Dynamics Simulation" Radiation Effects and Defect in Solids.