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2017 年度 実績報告書

炭化ケイ素の照射欠陥-高温水腐食相関解明とその防食の実証

研究課題

研究課題/領域番号 17H04977
研究機関京都大学

研究代表者

近藤 創介  京都大学, エネルギー理工学研究所, 特定准教授 (10563984)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード炭化ケイ素 / 腐食 / 照射 / 欠陥 / 電気化学 / 高温水 / 軽水炉 / 被覆管
研究実績の概要

原子炉の事故耐性を飛躍的に高めるため、炭化ケイ素(SiC)でチャンネルボックスや被覆管を作る試みがある。しかし、SiCが中性子照射に晒される環境では、高温高圧水腐食が顕著になることが課題になっている。本研究では、照射によるSiCの腐食加速について、その原因の学術的解明とそれに基づいた耐食表面の開発を目標としている。より具体的には、照射によって導入された欠陥(空孔などの格子欠陥)に由来する局在準位が表面電位を変化させ、バンド湾曲を腐食が加速する方向に変化させた、とこれまでの研究結果から予測しており、これを証明することを最初の目的として設定した。まず、照射欠陥の導入量と腐食速度の相関を得るため、加速器施設(京大エネ理工研DuET)によって5.1MeVの重イオンを材料(単結晶3C-SiC)に対し多様な線量(9.4×10^12~2.8×10^16 ions/cm^2)で照射して欠陥導入量の異なる試料を作製した。これらの試料に対し、電気化学試験(cyclic voltammetry)を室温HF中で実施し溶解挙動を調べたところ、腐食電流が照射線量の増大に伴い増加する傾向を明確に捉えた。その傾向は点欠陥の蓄積傾向と同様ではあるが、現段階では腐食電流と欠陥の材料中への蓄積量が1対1で相関があるのかは不明である。現在は欠陥量と種類の同定を、主としてDLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)法により試みておりその成果が待たれる。並行して、多結晶CVD-SiCを対象にイオン注入(これは上述のイオン照射とは異なり、より低エネルギーでドーパントを欠陥が入らないように表面層に注入するもの)による表面改質も試みている。これは表面のバンドを効果的に湾曲させるために実施しており、電気化学試験によればドーパントの種類によって防食効果が異なることまで判明している。

現在までの達成度 (区分)
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

本研究開始前は照射前のSiCの基礎的な電気化学データでさえなかったことを考えれば、その測定手法の確立ができたこと、および徹底的に電気化学特性を評価し熱力学的観点からデータを揃えられたことは、本研究分野以外にも波及する結果であり「順調に進展している」といえる。最終目標である照射が及ぼす電気化学特性への効果は未だ明確にはできていないものの、当初の目的であった「原因の学術的解明」の第一歩である照射線量-腐食電流相関が取得できたことは、この研究の方向性に今のところ矛盾が無いことを示しており、研究方針の大幅な変更が必要ないことを示すものである。また、当初は2年目以降に予定していたイオン注入実験を前倒しして開始できだことにより、その他の表面改質法への試みが可能となるような時間的余裕が生まれている。現段階で得られた結果から考案した照射による腐食速度加速のメカニズムは、当初の予測の範囲内であるが、溶存酸素の還元がカソード反応であることが明らかになるなど新しい知見も既に得られており、実験結果とともに論文としてまとめ出版した。

今後の研究の推進方策

現時点では当初の計画通り進行しており推進方策の大きな変更はないが、初年度でも実施したようにいくつかのテーマを併進させ、学術研究としての単結晶SiCを用いた電気化学試験・工学研究としての多結晶SiCを用いたオートクレーブによる腐食試験をそれぞれ中心に実施していく予定である。すなわち、電気化学試験で腐食加速メカニズムの真理に漸近しつつ、現段階の知見で考えられる防食表面処理を実施し耐食性能の実証試験を行う予定である。これにより、時間短縮とよりインパクトの高い研究成果となることを期待している。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Irradiation-induced point defects enhance the electrochemical activity of 3C-SiC: An origin of SiC corrosion2018

    • 著者名/発表者名
      Maeda Yuki、Fukami Kazuhiro、Kondo Sosuke、Kitada Atsushi、Murase Kuniaki、Hinoki Tatsuya
    • 雑誌名

      Electrochemistry Communications

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1016/j.elecom.2018.04.020

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Equilibrium shapes and surface selection of nanostructures in 6H-SiC2017

    • 著者名/発表者名
      Kondo Sosuke、Parish Chad M.、Koyanagi Takaaki、Katoh Yutai
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 110 ページ: 142106~142106

    • DOI

      10.1063/1.4979550

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Effect of irradiation defects on SiC dissolution in aqueous solution2018

    • 著者名/発表者名
      S. Kondo, Y. Maeda, K. Fukami, S. Mouri, T. Hinoki
    • 学会等名
      42nd International Conference and Exposition on Advanced Ceramics and Composites
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SiC高温水腐食へ及ぼす照射欠陥の影響2017

    • 著者名/発表者名
      近藤創介,前田有輝, 深見一弘, 檜木達也
    • 学会等名
      2017年原子力学会秋の大会
  • [学会発表] 欠陥を生成させた3C-SiC の電気化学特性2017

    • 著者名/発表者名
      前田有輝,深見一弘,近藤創介,檜木達也,北田敦,邑瀬邦明
    • 学会等名
      2017年電気化学秋季大会
  • [学会発表] Effect of irradiation on corrosion resistance of SiC2017

    • 著者名/発表者名
      S. Kondo
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Fusion Reactor Materials
    • 国際学会

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公開日: 2018-12-17  

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