Development of nano-mechanical measurement and analysis method for sub-millimeter fuel debris

亚毫米燃料碎片纳米力学测量与分析方法开发

• 批准号: 22K03834
• 负责人: 金成 守康
• 金额: $ 1.83万
• 依托单位: Ibaraki National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03834/
• 关键词: 燃料デブリ; 微小粒; ナノインデンテーション; 弾性率; 硬さ; 炭化ホウ素; ジルコニウム; 泡状構造; 小規模取出し

本研究の目的は、1 mm以下の微小粒のナノインデンテーション(NI)試験において、試料調製、下地材料、粒内部の泡状構造などが測定に及ぼす影響を調べ、押込み挙動のメカニクスを明らかにすることである。特に、社会的インパクトが大きい燃料デブリへの応用を目指して知見を蓄積する。令和4年度は、過年度に一部実施した炭化ホウ素(B4C)模擬燃料デブリ粒に関するNI試験における試料調製法などのノウハウを用いて、1 mm以下の泡状構造を有するジルコニウム(Zr)粒についてNI試験を行った。また、Zr粒の泡状構造がNI試験で測定された弾性率等に及ぼす影響を調べるために、圧痕硬さと粒の実密度を測定した。1 mmのZr粒は、#600研磨紙までの各研磨過程においてNI試験された。第1段階の#240研磨面において測定された弾性率は文献値より26%低く、マルテンス(HM)硬さは、圧痕硬さより15%高く、それぞれバラつきが大きかった。第3段階の#600研磨で測定された弾性率は文献値より5.5%だけ低く、HM硬さは圧痕硬さと0.9%差でよく一致した。これらの結果から、B4Cと比べて軟らかいZrの1 mm粒では、#240の平面化研磨では表面の凸凹が大きくNI試験が困難であるが、約3段階程度の研磨によって十分測定可能な表面が生成できることが分かった。また、泡状構造のZr粒の実密度は、真密度と比べて15%以上低く、粒内にある閉空孔を材料と共に押し込んだために弾性率が低く測定されたことが確認できた。以上の研究から、圧痕観察が必要な従来の試験方法によって硬さを測定することが困難な泡状構造のZr微小粒についても、NI試験によって適正に力学的性質を測定できることが確認できた。

这项研究的目的是研究样品制备，潜在材料和类似泡沫的结构对纳米识别（Ni）测量（NI）测量的影响（Ni）的小颗粒的测量，并阐明了压痕行为的机制。特别是，我们将积累知识，目的是将其应用于燃料碎片，这具有巨大的社会影响。在2022年，在NI碳化物（B4C）模拟燃料碎片粒的NI测试中，对锆石（ZR）颗粒进行了NI测试，其泡沫样结构为1 mm或更少。此外，为了研究ZR颗粒的泡沫样结构对NI测试中测得的弹性模量的影响，测量了压痕硬度和晶粒密度。在每个抛光过程中测试了1毫米ZR晶粒，最高＃600磨料。在第一阶段＃240抛光表面上测得的弹性模量比文献值低26％，而Martens（HM）硬度比凹痕硬度高15％，在每种情况下都有更大的变化。在第三阶段＃600抛光中测得的弹性模量比文献值低5.5％，而HM硬度与压痕硬度的匹配非常好，凹痕硬度为0.9％。这些结果表明，与B4C相比，在抛光＃240时很难进行NI测试，ZR的1 mM晶粒的表面不平衡度很难进行，但是发现可以通过在大约三个阶段进行抛光来产生可以测量的表面。此外，已经证实，具有泡沫状结构的ZR颗粒的实际密度比真实密度低15％，并且测量了弹性模量，因为将颗粒内部的封闭孔与材料一起推入。从上述研究中可以证实，具有泡沫样结构的小ZR颗粒的机械性能，这些结构很难使用需要凹痕观察的常规测试方法来测量硬度，可以通过NI测试来准确测量。