平成29年10月27日
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構
発表のポイント
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(理事長:児玉敏雄、以下「原子力機構」という。)原子力基礎工学研究センターの石川法人研究主幹らと、国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構(理事長:平野俊夫、以下「量研」という。)高崎量子応用研究所の田口富嗣上席研究員は、特定のセラミックスが放射線に強い理由を探るために、高エネルギー重粒子線1)を照射したセラミックス2)に形成される数ナノメートル3)の大きさの超微細組織4)を観察する新しい手法を開発しました。
さらに、その手法を利用して超微細組織の内部を分析した結果、超微細組織の内部が壊れて損傷しているセラミックスと、その損傷が再結晶化によって修復しているセラミックスがあることが判明しました。後者のセラミックスは、損傷してもすぐに原子の配列を直す能力、つまり自己修復能力を持っていることが示唆されました。
今後、セラミックスがもつ自己修復能力の解明が進めば、宇宙や原子炉のような強い放射線環境でのセラミックスの利用の可能性が広がります。
本研究成果は、英国の学術誌「Nanotechnology」に掲載されました。本研究はJSPS科研費 16K06963の研究成果を含みます。
一般的に材料は、放射線に曝されると劣化が進みます。セラミックスも同様で、放射線環境では材料の内部や表面に損傷(照射損傷)が生じて、本来もっている材料の機能が劣化していきます。特に高エネルギー重粒子線に照射されたセラミックスには、顕著な照射損傷が生じています。しかし、近年、特定のセラミックス(例えば、フッ化バリウム(BaF2)や酸化ウラン(UO2)等)においては、予想より照射損傷が少ないことが分かってきました。特定のセラミックスのみ、なぜ「放射線に強い」のか、そのメカニズムを解明することが大きな課題でした。
今後は、核燃料セラミックスである酸化ウラン9)(UO2)を対象にして、放射線環境での表面状態の変化を追跡することを検討しています。放射線に非常に強い核燃料セラミックスが放射線環境で自己修復している可能性があり、そのメカニズムの解明を進めます。また、セラミックスの自己修復能力を最大限に生かすための材料開発も進めていく予定です。セラミックスがもつ自己修復能力が解明されれば、強い放射線環境で使われる宇宙材料や原子力材料へのセラミックスの利用拡大が期待できます。また、放射線に強いセラミックスを利用した新しい原子力機器の設計・開発の可能性が広がります。
雑誌名:Nanotechnology
論文題名:”Hillocks created for amorphizable and non-amorphazable ceramics irradiated with swift heavy ions -TEM study-”
著者名:Norito Ishikawa1、 Tomitsugu Taguchi2、 Nariaki Okubo1、
所属:1日本原子力研究開発機構、2 量子科学技術研究開発機構
ここでは、約1億eV以上の高い運動エネルギーをもつ質量が重い粒子ビームのこと。粒子の質量数が40程度以上になると、セラミックス表面に顕著な損傷(照射損傷)を引き起こすことから、高エネルギー重粒子線は材料劣化の原因となりうる。本研究では、原子力機構タンデム加速器で加速された重粒子を使用して照射実験を行った。
無機物を加熱処理し焼き固めた材料のことで、例として酸化物やフッ化物があげられる。核燃料である酸化ウランもセラミックスの一種。
1ナノメートルは、1メートルの10億分の1。数ナノメートルは、毛髪の太さの1万分の1程度。
ここでは、放射線照射によって材料の表面に発生した数ナノメートル程度の微小な隆起物をさす。
電子ビームを試料表面に当てて観察する顕微鏡で、細く絞った電子ビームの当てる位置を試料表面上で走査するので走査型電子顕微鏡という。一般に、透過型電子顕微鏡と比べて観察の分解能は劣る。
微小な針と試料表面との間に作用する原子間力を検出するタイプの顕微鏡。針の先端と超微細組織が同じ程度の大きさであるために、針が微細組織の正確な寸法を検知することが困難とされている。
顕微鏡については、どのくらい細かいものを見る事ができるかの能力を表す。分解能が高いほど、小さいものを見ることができる。
加速された電子を薄く加工した試料に透過させ、透過した電子を利用して拡大像を得ることのできる顕微鏡のこと。電子の加速エネルギーにもよるが、一般的な透過型電子顕微鏡の分解能は0.2 ナノメートル以下と言われる。
ウランと酸素の化合物で、代表的なものは化学式でUO2と表される。軽水炉の燃料として、低濃縮の酸化ウランが使われている。
参考部門・拠点: | 原子力基礎工学研究センター |