カスケード損傷における格子間原子集合体の一次元運動 -機構解明とモデリング-

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K06663
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 佐藤 裕樹 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (20211948)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 原子力材料 / 照射効果 / 格子間原子集合体 / 一次元運動 / 鉄鋼材料

研究実績の概要

高純度銅に４種の置換型元素Ni, Si, Ge, Snと侵入型元素CおよびOを添加した二元合金をアーク溶解により作製した。これらの試料について、北海道大学の超高圧電子顕微鏡を用いて，室温での1250kV電子照射により導入される格子間原子集合体の一次元（1D）運動挙動をその場観察した。添加元素の種類と濃度に依存して１D運動の距離や頻度が変化することを確認した。
電子照射下の点欠陥反応に関する従来の速度論モデルに格子間原子集合体の１D運動効果を組み込むことを試みた。形成された集合体が１D運動により試料表面などのシンクへ到達した場合には消失し、不純物原子に出会った場合にはトラップされて安定に成長することを仮定した。このモデルに基づいて鉄を想定した反応速度式を作成し数値計算を実施した。高純度試料において成長する集合体の数密度は、従来モデルに比べて約一桁低下し、実験により近い値となった。
代表的な原子力用構造鋼に対して、名古屋大学の超高圧電子顕微鏡を用いて室温 - 400℃の温度範囲で電子照射を行い、格子間原子集合体の１D運動をその場観察した。室温に比べて高温では１D運動頻度が低下したが、オーステナイト鋼SUS316Lよりフェライト・マルテンサイト鋼F82Hの方が低下の度合いが大きかった。これはオーステナイト鋼とフェライト鋼の間に一般に成り立つ傾向であるかを確認するために、新たにSUS304と高クロム耐熱鋼を対象に同様の実験を行った。結果は現在解析中である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初の予定から遅れている点として、イオン照射実験を実施できていないことが挙げられる。計画では、1）１D運動距離が大きく異なると見込まれる数種類の銅試料を作製する。2）超高圧電子顕微鏡を用いた電子照射実験により1D運動距離を確認する。3）この試料を用いてイオン照射を行う、としていた。
鉄では溶質原子を添加することにより１D運動距離を短くする効果が見られていた。また試みた３種類の添加元素全てでその効果が確認されていた。当初、銅ではゲルマニウムを添加した試料を作製したが１D運動距離への影響が小さくイオン照射実験には適当でないことが判明した。そこで銅に対する原子サイズ因子の異なる数種類の溶質元素の効果を調査し、スズの添加量を変えることで１D運動距離を制御できることを見出した。このために3）のイオン照射実験は今年度中に実施できなかった。ただし鉄と銅における溶質原子効果に違いがあることは予想外で、今後溶質原子効果の理解に役立てる。
一方、最初の計画では実用鋼中の不純物が１D運動に与える影響を調査する実験は今年度と来年度に実施する計画であったが、実際には昨年度に前倒しで開始し実験は今年度で終了した。以上のように実施順序が入れ替わった項目はあるが、得られた結果の内容からみて研究は着実に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

今年度はイオン照射実験に注力する。最初に加速電圧と照射量の条件をいろいろに変化させて導入される欠陥組織を透過電子顕微鏡で観察する。個々のカスケード損傷から直接形成される空孔型および格子間原子型の欠陥集合体を透過型電子顕微鏡で捉えることを最初の目標に設定する。その上で、スズの添加量を変えて１D運動距離を制御した試料を用いてイオン照射を行い、カスケード損傷下における１D運動効果を実験的に検証する。
既に実施した電子照射下の１D運動挙動については、データ取得を進展させるとともに不足している条件については再実験を行うことで、可能な結果から先に論文として報告する。

次年度使用額が生じた理由

これまでに超高圧電子顕微鏡を使用した出張実験を多数回実施したが、そのいくつかの実験で、装置所有機関から装置使用料の支援を受けた。これが次年度使用額の生じた主たる理由である。

次年度使用額の使用計画

イオン照射実験を始めるにあたり、イオン照射装置の使用料金が必要になる。さらに銅試料は錆びやすいため電子顕微鏡用試料を作製後は、試料を高真空で保管する必要がある。このために高真空排気システムを導入することを検討する。

研究成果

• [雑誌論文] Athermal migration of vacancies in iron and copper induced by electron irradiation (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Satoh, T.Sohtome, H. Abe, Y. Matsukawa, S. Kano
  • 雑誌名: Philosophical Magazine 巻: 97 ページ: 638-656
  • DOI: 10.1080/14786435.2016.1275867
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Crystallographic analysis on atomic-plane parallelisms between bcc precipitates and hcp matrix in recrystallized Zr-2.5Nb alloys (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsukawa, I. Okuma, H. Muta, Y. Shinohara, R. Suzue, H.L. Yang, T. Maruyama, T. Toyama, J.J. Shen, Y.F. Li, Y. Satoh, S. Yamanaka, H. Abe
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 126 ページ: 86-101
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2016.12.053
  • 査読あり
• [雑誌論文] Reassessment of oxidation-induced amorphization and dissolution of Nb precipitates in Zr－Nb nuclear fuel cladding tubes (2017)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsukawa, S. Kitayama, K. Murakami, Y. Shinohara, K. Yoshida, H. Maeno, H.L. Yang, T. Toyama, K. Yasuda, H. Watanabe, A. Kimura, H. Muta, S. Yamanaka, Y.F. Li, Y. Satoh, S. Kano, H. Abe
  • 雑誌名: Acta Materialia 巻: 127 ページ: 153-164
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2017.01.032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transition of creep mechanism by solute hydrogen in Zircaloy-4 (2017)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Matsunaga, Hiromichi Hongo, Masaaki Tabuchi, Yuhki Satoh, Hiroaki Abe
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering: A 巻: 684 ページ: 191-195
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2016.12.057
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microstructural stability of an as-fabricated 12Cr-ODS steel under elevated-temperature annealing (2017)
  • 著者名/発表者名: J.J. Shen, H.L. Yang, Y.F. Li, S. Kano, Y. Matsukawa, Y. Satoh, H. Abe
  • 雑誌名: Journal of Alloys and Compounds 巻: 695 ページ: 1946-1955
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.11.029
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanical Properties of Zircaloy-4 Cladding Tube by Advanced Expansion due to Compression (A-EDC) Test (2017)
  • 著者名/発表者名: Z. Zhao, D. Kunii, T. Abe, H.L. Yang, S. Kano, Y. Matsukawa, Y. Satoh, H. Abe
  • 雑誌名: MATERIALS TRANSACTIONS 巻: 58 ページ: 46-51
  • DOI: http://doi.org/10.2320/matertrans.ML201601
  • 査読あり
• [雑誌論文] A comparative study of hydride-induced embrittlement of Zircaloy-4 fuel cladding tubes in the longitudinal and hoop directions (2017)
  • 著者名/発表者名: Zishou Zhao, Daichi Kunii, Tomonori Abe, Huilong Yang, Jingjie Shen, Yasunari Shinohara, Sho Kano, Yoshitaka Matsukawa, Yuhki Satoh & Hiroaki Abe
  • 雑誌名: Journal of Nuclear Science and Technology 巻: 54 ページ: 490-499
  • DOI: 10.1080/00223131.2017.1287603
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current status of materials development of nuclear fuel cladding tubes for light water reactors (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhengang Duan, Huilong Yang, Yuhki Satoh, Kenta Murakami, Sho Kano, Zishou Zhao, Jingjie Shen, Hiroaki Abe
  • 雑誌名: Nuclear Engineering and Design 巻: 316 ページ: 131-150
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nucengdes.2017.02.031
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacancy effects on one-dimensional migration of interstitial clusters in iron under electron irradiation at low temperatures (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Satoh, Y. Abe, H. Abe, Y. Matsukawa, S. Kano, S. Ohnuki, N. Hashimoto
  • 雑誌名: Philosophical Magazine 巻: 96 ページ: 2219-2242
  • DOI: 10.1080/14786435.2016.1194533
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Microstructure and mechanical property in heat affected zone (HAZ) in F82H jointed with SUS316L by fiber laser welding (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Kano, A. Oba, H.L. Yang, Y. Matsukawa, Y. Satoh, H. Serizawa, H. Sakasegawa, H. Tanigawa, H. Abe
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 9 ページ: 300-305
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nme.2016.08.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Precipitation of carbides in F82H steels and its impact on mechanical strength (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Kano, H.L. Yang, R. Suzue, Y. Matsukawa, Y. Satoh, H. Sakasegawa, H. Tanigawa, H. Abe
  • 雑誌名: Nuclear Materials and Energy 巻: 9 ページ: 331-337
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nme.2016.09.017
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental assessment of temperature distribution in heat affected zone (HAZ) in dissimilar joint between 8Cr-2W steel and SUS316L fabricated by 4 kW fiber laser welding (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Kano, A. Oba, H. L. Yang, Y. Matsukawa, Y. Satoh, H. Serizawa, H. Sakasegawa, H. Tanigawa, H. Abe
  • 雑誌名: Mechanical Engineering Letters 巻: 2 ページ: 1-9
  • DOI: http://doi.org/10.1299/mel.15-00481
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on recrystallization and correlated mechanical properties in Mo-modified Zr-Nb alloys (2016)
  • 著者名/発表者名: H.L. Yang, S. Kano, Y. Matsukawa, Y.F. Li, J.J. Shen, Z.S. Zhao, F. Li, Y. Satoh, H. Abe
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering: A 巻: 661 ページ: 9-18
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2016.03.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of molybdenum on microstructures in Zr-1.2Nb alloys after β-quenching and subsequently 873 K annealing (2016)
  • 著者名/発表者名: H.L. Yang, S. Kano, Y. Matsukawa, Y.F. Li, J.J. Shen, F. Li, Z.S. Zhao, Y. Satoh, H. Abe
  • 雑誌名: Materials & Design 巻: 104 ページ: 355-364
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2016.05.047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microstructural characterization and strengthening mechanisms of a 12Cr-ODS steel (2016)
  • 著者名/発表者名: J.J. Shen, Y.F. Li, F. Li, H.L. Yang, Z.S. Zhao, S. Kano, Y. Matsukawa, Y. Satoh, H. Abe
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering: A 巻: 673 ページ: 624-632
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2016.07.030
  • 査読あり
• [学会発表] 電子照射に誘起される空孔の非熱的移動過程 (2017)
  • 著者名/発表者名: 五月女 貴平、佐藤 裕樹、阿部 弘亨、松川 義孝、叶野 翔
  • 学会等名: 日本金属学会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-16
• [備考] 原子力材料工学講座
  • URL: http://nuclmater.imr.tohoku.ac.jp/index.html