ＭＡ－ＭＯＸ燃料中のヘリウム挙動の計算科学的手法による解明と体欠陥形成制御

2013 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 23246174
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 原子力学
• 研究機関: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
• 研究代表者: 芹澤 弘幸 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究員 (90355008)
• 研究分担者: 高野 公秀 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究員 (40501367) ; 岩井 孝 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究員 (30355010) ; 中島 邦久 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究員 (00355009) ; 鈴木 通人 独立行政法人日本原子力研究開発機構, システム計算センター, 研究員 (10596547) ; 中村 博樹 独立行政法人日本原子力研究開発機構, システム計算センター, 研究員 (40350483) ; 町田 昌彦 独立行政法人日本原子力研究開発機構, システム計算センター, 研究員 (60360434) ; 芳賀 芳範 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究員 (90354901) ; 大澤 崇人 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究員 (70414589) ; 山中 伸介 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (00166753) ; 大石 佑治 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (20571558)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: ネガティブクリスタル / イメージクリスタル / 負結晶 / 単結晶 / ヘリウム / 欠陥 / ファセット / 結晶成長

研究概要

我々は、ヘリウムが析出したUO2結晶の中に形成される負結晶が、その析出条件を変えると変化することを発見し、このような形状制御可能な負結晶をイメージクリスタル（IM)と命名した。計算科学的手法及び実験的手法から解析した結果、形状変化がIM内部に閉じ込められているヘリウムの内圧と関係すること、及び格子面の成長には、ステップフリーエナジーモデルを考慮する必要があることを明らかにした。また、蓄積されたヘリウムが、燃料製造工程において問題とならないかという工学的な問題を提起し、原料粉末を、長期間保管しなければならないような状況に至った場合には、燃料の品質に問題が生じる可能性があることを明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Variation in the surface morphology of polycrystalline UO2 powder induced by helium precipitation (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Serizwa, Junji Matsunaga, Kunihisa Nakajima, Shinji Kashibe, Yoshiyuki Kaji
  • 雑誌名: J. Asian Ceram. Soc. 巻: 1 ページ: 289-295
• [雑誌論文] Formation and Growth of Image Crystals by Helium Precipitation (2013)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Serizawa, Junji Matsunaga, Yoshinori Haga, Kunihisa Nakajima, Mitsuo Akabori, Tomohito Tsuru, Yoshiyuki Kaji, Shinji Kashibe, Yuji Ohisi, Shinsuke Yamanaka
  • 雑誌名: Cryst. Growth Des. 巻: 13 ページ: 2815-2823
• [雑誌論文] Microscopic theory of the insulating electronic ground states of actinide dioxides, AnO2(An=U, Np, Pu, Am and Cm) (2013)
  • 著者名/発表者名: M.-T. Suzuki, N. Magnani, P. M. Oppeneer
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 88 ページ: 195146-195160
• [雑誌論文] 酸化物燃料中の Heガス挙動に関する研究(I)、―析出したヘリウムによる組織変化―(共同研究) (2011)
  • 著者名/発表者名: 芹澤弘幸、松永純治、芳賀芳範中島邦久、樫部信司、岩井孝
  • 雑誌名: JAEA-Research 巻: 2011-025
  • 査読あり
• [雑誌論文] Helium bubbles in UO2
  • 著者名/発表者名: J. Matsunaga, S. Kashibe, H. Serizawa, K. Nakajima, T. Iwai, Y. Haga, Y. Ohishi, S. Yamanaka
  • 雑誌名: proceedings of 1th ANFC in Osaka
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on formation of helium bubbles in CeO2-x
  • 著者名/発表者名: J. Matsunaga, S. Kashibe, H. Serizawa, Y. Ohishi, S. Yamanaka
  • 雑誌名: Proceedings of NUMAT2012
• [学会発表] セラミックス中に発生する形状制御可能なキャビティー ;イメージクリスタル (2013)
  • 著者名/発表者名: 芹澤弘幸、大石佑治、芳賀芳範、山中伸介、都留智仁、加治芳行、松永純治、樫部信司
  • 学会等名: 国際セラミックス総合展 2013
  • 発表場所: 東京都
  • 年月日: 20130925-27
• [学会発表] イメージクリスタルの形状変化に影響する因子 (2013)
  • 著者名/発表者名: 芹澤弘幸、大石佑治、芳賀芳範、山中伸介、都留智仁、加治芳行、松永純治、樫部信司
  • 学会等名: 日本セラミックス協会第26回秋季シンポジウム
  • 発表場所: 長野県長野市
  • 年月日: 20130904-06
• [学会発表] 酸化物燃料におけるヘリウムバブル形成機構についての一考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 松永純治、樫部信司、芹澤弘幸、大石佑治、山中伸介
  • 学会等名: 日本原子力学会
  • 発表場所: 大阪府東大阪市
  • 年月日: 20130326-28
• [学会発表] 二酸化ウラン中のネガティブクリスタルが拓く新しい科学 (2012)
  • 著者名/発表者名: 芹澤弘幸
  • 学会等名: 第7回高崎量子応用研究シンポジウム
  • 発表場所: 群馬県高崎市
  • 年月日: 20121011-12
• [学会発表] UO2のヘリウム圧入によって形成されたネガティブクリスタル形状と内圧の関係 (2012)
  • 著者名/発表者名: 松永純治、樫部信司、芹澤弘幸、中島邦久、岩井孝、芳賀芳範、大石佑治、山中伸介
  • 学会等名: 日本原子力学会
  • 発表場所: 広島県東広島市
  • 年月日: 20120911-21
• [学会発表] ヘリウム吸蔵 UO2の気泡スエリング (2011)
  • 著者名/発表者名: 松永純治、樫部信司、芹澤弘幸、中島邦久、岩井孝
  • 学会等名: 日本原子力学会
  • 発表場所: 福岡県北九州市
  • 年月日: 20110919-22
• [図書] FORMATION AND MORPHOLOGY OF UO2 IMAGE CRYSTAL, New Research Trends of Fluorite-Based Oxide Materials: From Basic Chemistry and Materials Science to Engineering Applications (2014)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Serizawa, Yuji Ohisi, Yoshiyuki Kaji, Shinsuke Yamanaka
  • 出版者: (in press)