分子軌道法による原子炉用ジルコニウム合金の耐食機能設計

• 研究課題/領域番号: 07555500
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 試験
• 研究分野: 構造・機能材料
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 森永 正彦 名古屋大学, 工学部, 教授 (50126950)
• 研究分担者: 東中川 恵美子 (株)東芝, 研究開発センター・材料デバイス研究所, 主幹研究員 ; 江崎 尚和 鈴鹿工業高等専門学校, 助教授 (80160357) ; 村田 純教 名古屋大学, 工学部, 助教授 (10144213)
• 研究期間 (年度): 1995 – 1996
• 研究課題ステータス: 完了 (1996年度)
• 配分額: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円); 1996年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
• キーワード: 腐含 / ジルコニウム合金 / 分子軌道法 / ジルコニア / 腐食

研究概要

現在の主要な発電用原子炉において、その炉心部分にはジルコニウム合金が使われている。このジルコニウム合金の表面には、局部腐食(いわゆるノジュラー腐食)が起こり問題となっている。さらに、ウラン資源の有効利用を目的として進められている核燃料の高燃焼度化の要請とあいまって、腐食ジルコニウム合金の開発が強く望まれている。
本研究はこのような背景のもとに計画されたものであり、分子軌道法による電子状態の計算とX線光電子分光(XPS)などの実験を併用して、高耐食ジルコニウム合金の設計と開発の指針を得ることを目標にしている。ジルコニウム合金の表面にできる腐食生成物であるZrO_2(ジルコニア)については、これまでいろいろな方法で調べられてきたが、XPSによる表面皮膜の解析は新しく、その化学成分や電子状態について興味ある情報を得ることができた。例えば、XPSスペクトルは耐食性の良い合金と悪い合金とでは違っていることがわかった。合金元素の周期表の位置に従って耐食性が変わることも明らかになった。さらに、ジルコニウア皮膜自体、決して均一なものではなく、膜厚方向に合金元素の濃度勾配があることもわかった。また、DV-Xα分子軌道計算からによるジルコニウムおよびジルコニア中の合金元素の振舞いを明らかにした。そして電子論に基づくジルコニウム合金の腐食メカニズムを初めて提案した。
本研究を通し、ジルコニウムの腐食を新しい視点から捉えることができた。その結果、新しい高耐食性ジルコニウム合金を開発するときに有用な指針が得られた。