原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

中性子照射環境に於けるセラミックスの熱伝導率評価に関する研究開発

１．研究開発の背景と目的

　将来的な原子力開発を行う上で熱効率の改善や多目的利用のために高温ガス炉の開発が進められており、高温安定性などの非常に優れた物性を有するセラミックスの利用が検討されている。金属と異なりセラミックスはフォノンにより熱を伝導しているため、照射欠陥が導入されると熱拡散率が低下する事が知られているが[1]、照射温度が高いほど空孔-格子間原子の再結合が促進され欠陥導入密度が低くなるため、熱拡散率の低下の度合いは小さくなる。一方で、フォノン-フォノン散乱が増加し熱拡散率を低下させるため、照射温度による熱拡散率の変化は単純には予想できない。さらに、照射時においては弾き出しによる欠陥生成から僅かな時間で再結合して消滅するtransient な欠陥が存在すると考えられるが、照射中にこの transient な欠陥が熱物性に与える効果はこれまで殆ど評価されておらず、これまで照射時熱物性の推定は困難であった。
　このため本事業では、セラミックス材料を高温ガス炉の燃料被覆材等で使用する際の照射時熱物性評価手法の確立を目的とする。この達成のために、まず陽電子消滅法を用いてイオン照射時の欠陥評価を行い、transientな欠陥がほぼ無視できることを確認した。次に、レーザーフラッシュ法を用いた熱定数測定装置を用いて-150℃〜140℃で中性子照射後セラミックス試料の熱拡散率測定を行い、熱拡散率の測定温度依存性から照射温度における熱拡散率を求め、さらに様々な照射温度の試料に対する測定結果から、照射時熱拡散率の照射温度依存性を評価した。

２．研究開発成果

　照射時のtransient な欠陥による影響を評価するために、陽電子消滅法によりイオン照射時の欠陥導入状態評価を行った。まず平成18年度までに熱拡散率と陽電子寿命スペクトル及びsパラメーターの相関を把握するため、熱拡散率が既知の中性子照射試料の陽電子寿命測定とドップラーブロードニング測定を行い、両者に相関関係があることを明らかとした。本年度は、イオン照射時の陽電子寿命測定を可能とするためにアバランシェフォトダイオードを用いたβ-γ同時測定法による陽電子寿命測定システムの改良を行い、従来行われてきたγ-γ同時測定法により試料2枚で挟み込む測定法と同等の測定精度を達成した。
　まず平成18年度に実施した中性子照射後試料の陽電子寿命測定において中性子照射条件による寿命スペクトルの変化が最も大きかったα-Al₂O₃に対して、照射温度は室温、照射イオン種をH⁺ とHe²⁺として陽電子寿命測定を実施したが、照射前、中、後でほとんど差は見られなかった。これは、イオン照射では入射粒子のエネルギーが単色であり、欠陥の導入層が数μm程度と非常に狭い範囲に集中していることが原因であると考えられた。このため、最も飛程の長い照射イオン種H⁺について、減速機（モデレーター）を用いて加速エネルギーを多段階で変化させ、欠陥導入層を広げて測定を行った。その結果、照射前後で差が見られることを確認した。しかしながら、フラックスを4.0×10¹⁴〜7.0×10¹⁴ ion/m²・s の範囲で変化させたが照射中と照射後の差は確認できなかった。
　α-Al₂O₃以外の試料についても、2.0MeV H⁺ をモデレーターに通した条件で陽電子寿命測定及びドップラーブロードニング測定を行った。その結果、いずれの試料においても照射中と照射後の差は見られなかった。α-Al₂O₃, AlN では照射前と照射後について寿命スペクトルに差が見られており、照射により導入された欠陥は捉えることが出来ていると言える。β-Si₃N₄, β-SiC では照射前後でもほとんど差が見られなかったが、損傷量が0.01dpa程度と少ないためであると考えられる。しかしながら本事業の目的は照射時効果の評価であり、バックグラウンドとなってしまう照射後に残る欠陥はむしろ少ない方が好都合である。その上で、材料試験炉などよりも十分大きな損傷速度で照射を行ったにもかかわらず照射中に欠陥の有意な増加は見られないことから、transient な欠陥の影響は非常に小さく、0.01dpa程度での欠陥量と比較しても無視できる量である事が明らかとなった。また、ドップラーブロードニング測定でも、いずれの試料においても照射中と照射後の差は見られなかった。
　以上の結果から、transientな欠陥の存在は考慮せずに照射後試料の評価により照射時の熱物性評価が可能であることが明らかとなった。
　そこで、高速実験炉常陽で中性子照射を行ったα-Al₂O₃, AlN, β-Si₃N₄, β-SiC中性子照射後試料の熱拡散率を -150℃〜150℃の範囲で測定した。試料の熱拡散率α(m²/s)は測定温度T(K)によりα=k/Tⁿ に従って変化するため、測定結果から前式中のnパラメーターを取得し、それぞれの試料の照射温度における熱拡散率を外挿により求めた。最後に様々な照射温度で照射した試料についてこの評価を行い、照射温度における熱拡散率の照射温度依存性を求めた。α-Al₂O₃, AlN では照射温度と共に若干熱拡散率が上昇し、逆にβ-Si₃N₄, β-SiC では若干の低下が見られたが、いずれもその変化は小さいことが確認できた。照射温度における熱拡散率はおおよそ α-Al₂O₃: 1.5×10^-6m²/s、AlN: 1.3×10^-6m²/s、β-Si₃N₄: 2.7×10^-6m²/s、β-SiC: 2.3×10^-6m²/s であった。
　次に、電子線照射を行った試料の熱拡散率測定を行った。室温における電子線照射後試料の測定の結果、0.01dpa 程度の照射量の試料で有意な熱拡散率の低下が確認できた。室温における熱拡散率とnパラメーターの相関関係を、中性子照射後試料及び電子線照射後試料について求めた結果、室温での熱拡散率が高いほど n パラメーターが 1 に漸近していくという傾向が見られた。この結果を用いて、照射後の熱拡散率が文献により調べられた試料に対して n パラメーターをおおまかにではあるが見積る事が可能となった。この室温での熱拡散率と n パラメーターから、今回評価を行っていない1000℃で照射した場合について、文献値より照射時の熱拡散率評価を試みた。一方で照射温度における熱拡散率の照射温度依存性を、今回用いた試料の照射温度範囲から外挿することによっても高温での熱拡散率を評価可能である。その結果は前述した方法で求めた結果と良い一致を見た。様々な文献で1000℃程度までは欠陥導入形態は400℃程度からあまり変化がないことが確認されている[2]ため、今回求めた結果は妥当な結果であると考えられる。

３．まとめ

　イオン照射時の陽電子寿命測定において、照射後も存在する安定な欠陥は検出することが出来たが、照射中と照射後の差は見られず、transient な欠陥の影響はほとんどないと判断できた。このことから、中性子照射後試料の熱拡散率の測定温度依存性を評価し、相関式より照射温度における熱拡散率を外挿により求めることで、試料にダメージを与えることなく照射時の熱拡散率を得るという評価手法を確立した。この評価手法により高温ガス炉照射条件で照射した試料に対して熱拡散率の温度依存性を評価することで、高温ガス炉照射条件での照射時熱物性の推定が可能である。これにより、当初の目的を達成したと言える。

図1 イオン照射前・中・後のα-Al₂O₃ の陽電子寿命スペクトル。照射中・照射後試料で1.2ns付近に長寿命成分の増加が見られる。照射は2MeV のH⁺を、モデレーターを通して行った。

図2 中性子照射後試料の熱拡散率温度依存性の測定から求めたα-Al₂O₃ の照射時熱拡散率の照射温度依存性。◇は以前の研究で実際に高温で測定した際の値[3]。●は照射量が少ないT7x試料。

４．参考文献

[1] M. Akiyoshi and T. Yano, "Neutron-Irradiation Effect in Ceramics Evaluated from Macroscopic Property Changes in As-irradiated and Annealed Specimens", Progress in Nuclear Energy, 50 (2008) 567-574.
[2] L. L. Snead, T. Nozawa, Y. Katoh, T. Byun, S. Kondo, and D. A. Petti, "Handbook of SiC properties for fuel performance modeling", Journal of Nuclear Materials, 371 (2007) 329-377.
[3] M. Akiyoshi, I. Takagi, T. Yano, N. Akasaka and Y. Tachi, "Thermal conductivity of ceramics during irradiation", Fusion Engineering Design, 81 (2006) 321-325.