Synergistic effect of hydrogen on irradiation damage at metal/oxide interface

氢对金属/氧化物界面辐照损伤的协同作用

基本信息

批准号：
22H02002
负责人：
阿部弘亨
金额：
$ 10.57万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2026-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

申請者らは照射その場観察法等により金属材料の強化因子であるナノ粒子の不安定化や過飽和溶質原子の析出など、新たな照射誘起型固相反応現象を見出してきた。これは、照射環境においてプラント構造材料の強度劣化につながる可能性があり、原子炉構造材料や原子燃料被覆管材料、核融合炉構造材料の健全性評価にとって重要な現象となり得る。本研究では、鉄鋼およびZr合金中の材料強化因子に対する照射影響を組織-強度相関の視点で調査し、水素化の重畳効果を実験的に検出し、原子炉内と炉外における材料劣化を比較し、照射・水素化重畳影響を評価することとした。鉄鋼中の酸化物ナノ粒子の照射下挙動解明のため、照射下その場観察実験により酸化物微粒子は成長と収縮をランダムに繰り返し、長期的に収縮、消滅の途をたどることを確認した。このランダムなサイズ変化の過程が照射の初期に典型的な事象であることを見出し、結晶成長の古典論であるオストワルド成長理論を適用した検討を行い、nm程度のサイズや結晶性を考慮した修正が必要であることを指摘した。この現象が機械強度に対して及ぼす影響についても、ナノ硬度測定と電子後方散乱回折（EBSD）を組み合わせた独自性の高い手法を開発して明らかにすることに成功した。本件は、Journal of Nuclear Materials誌において表彰を受けた。次に、Zr合金を対象として照射-水素重畳効果の測定を行った。水素約100ppm注入材では照射軟化が生じ、注入量の増加に伴い照射硬化が顕在化することを見出した。さらに照射組織発達過程に対する水素の影響を明らかにした。この成果は原子力学会にて優秀学生発表として表彰された。また、管形状材料の機械強度に対する水素影響を明らかにした。Zr金属の酸化被膜表面における水素発生挙動に対し照射加速効果があることを確認した。

申请人利用原位辐照观察方法发现了新的辐照诱导固相反应现象，例如增强金属材料的纳米颗粒的不稳定以及过饱和溶质原子的沉淀。这会导致植物结构材料在辐照环境下强度劣化，并且可以成为评估核反应堆结构材料、核燃料包壳材料和聚变反应堆结构材料完整性的重要现象。在本研究中，我们从结构-强度相关性的角度研究了辐照对钢和Zr合金中材料强化因素的影响，通过实验检测了氢化的叠加效应，并比较了反应器内外的材料降解情况，因此我们决定。评估叠加照射和氢化的效果。为了阐明辐照下钢中氧化物纳米颗粒的行为，辐照下的原位观察实验证实，氧化物细颗粒随机重复生长和收缩，并遵循长期收缩和消失的路径。我们发现这种随机尺寸变化的过程是辐照初始阶段的典型现象，并应用晶体生长的经典理论奥斯特瓦尔德生长理论进行了研究，并对其进行了修改，以考虑纳米尺寸和结晶度。表明这是必要的。我们还通过开发一种结合纳米硬度测量和电子背散射衍射 (EBSD) 的高度独特的方法，成功地阐明了这种现象对机械强度的影响。该案例在《核材料杂志》上获奖。接下来，我们测量了Zr合金的辐照-氢叠加效应。研究发现，当向材料中注入约100 ppm的氢气时，会发生辐照软化，并且随着氢气注入量的增加，辐照硬化变得更加明显。此外，还阐明了氢对辐照组织发育过程的影响。该成果被日本原子能学会授予优秀学生展示奖。我们还阐明了氢对管状材料机械强度的影响。证实照射对Zr金属氧化膜表面的氢生成行为具有促进作用。