原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

１．研究開発の背景とねらい

　使用済燃料中に含まれる長寿命放射性核種を原子炉において短寿命あるいは安定な核種に変換する核変換処理技術の開発が進められている。長寿命核種を保持する母相材料には、放射線照射損傷に対して優れた耐性を示すことが要求され、マグネシア･アルミネート・スピネル(MgAl₂O₄)や安定化ジルコニアなどの酸化物セラミックスが有力な候補材料となっている。
　原子炉での過酷な照射環境において、高い耐照射損傷性を示す材料の探索・開発には、照射損傷のメカニズムを原子レベルで明らかにすることが重要である。本研究は、有力候補材料であるマグネシア･アルミネート・スピネルを対象として、電子顕微鏡法よる照射誘起微細構造観察・分析ならびに分子動力学法による計算機実験を原子レベルで遂行し、照射欠陥の移動、蓄積および集合過程に関する知見を得ようとするものであり、その成果に基づいて、長寿命核種核変換処理に資する酸化物セラミックス材料の探索や材料開発指針を得ることを目的としている。
　本研究開発は、スピネル結晶を対象とした(1)イオン・電子照射に伴う照射欠陥の形成とその安定性に関する実験、(2)点欠陥挙動に関する計算機実験、および(3)(1)、(2)に基づいた酸化物セラミックスの耐照射損傷性機構に関する考察、に従って遂行している。以下に、本研究で得られた成果の概要を報告する。

２．研究開発成果

(1)イオン・電子照射に伴う照射欠陥の形成とその安定性に関する実験： 本項目では、200 keV電子照射に伴う微小な格子間型転位ループの消滅過程に関する電子顕微鏡内「その場」観察実験、ならびに高速重イオン照射により誘起されるイオントラックの構造観察・解析を進めている。前者は、微小な照射欠陥集合体の安定性に及ぼす電子励起の効果を調べるものであり、照射欠陥集合体の安定核の形成に関する知見を与える。後者は、核分裂生成物により誘起される高密度電子励起に伴う微細構造変化を明らかにすることを目的としている。
　MgAl₂O₄単結晶試料中に導入した微小な格子間型転位ループは、200 keV 電子照射に伴う電子励起により消滅した。図１は、転位ループの消滅のし易さを表す見かけの消滅断面積（λ）をα-Al₂O₃中の転位ループのλ値 [1]と比較して示している。図1より、MgAl₂O₄中の転位ループのλ値は、α-Al₂O₃のλ値に比較して約1桁大きく、MgAl₂O₄中の転位ループが電子励起下において不安定であることを示している。一方、いずれの試料においても、λ値は電子照射温度の増加に伴って減少していることがわかる。このλ値の温度依存性から、微小格子間型転位ループは孤立した格子間原子に分解する機構により収縮・消滅しているものと考察した。図2は、転位ループ中に含まれる格子間原子数を電子照射前の格子間原子数で規格化した値（ｆ 値）を電子照射量の関数として示している。ｆ 値は、電子照射により著しく減少しており、かつその減少速度はα-Al₂O₃のｆ 値^[1]よりも大きいことがわかった。以上の結果は、MgAl₂O₄中の構造空位が転位ループの分解により発生した格子間原子の再結合サイトとして有効に作用していることを示唆しており、MgAl₂O₄において安定な転位ループ核が形成し難い理由を説明する。
　核分裂生成物を模擬した高速重イオン照射（200 MeV Xe および350 MeV Auイオン）により誘起される高密度電子励起は、MgAl₂O₄中にイオントラックを形成する。イオントラック形成に対する電子的阻止能のしきい値は12 keV/nmと評価された。高分解能像観察と電子チャンネリングを利用したイオン配列の定量評価から、イオントラックは結晶性を保つものの、イオン配列は不規則化してランダムな配列へと変化することがわかった。図3は、イオントラック周辺に誘起される陽イオン配列不規則化領域のサイズを電子的阻止能の関数として表したものであり、核分裂生成物が誘起する電子的阻止能（≤20 keV/nm）により、直径約5 nmの不規則化領域が形成されることを示している。

(2)スピネル中の点欠陥挙動に関する計算機実験： 分子動力学計算コードGULP（General Utility Lattice Program）を用いて、MgAl₂O₄中の点欠陥の移動および再結合過程を評価した。また、結晶中にフレンケル対を逐次導入し、フレンケル対の蓄積に伴う構造変化を調べた。その結果、転位ループ等の照射欠陥は形成されずにイオン配列が不規則化すること、および陽イオンは8面体格子間位置を優先的に占有することがわかった。以上の結果は、電子顕微鏡観察結果を支持するものである。

３．今後の展望

　電子顕微鏡観察・分析および分子動力学計算の成果に基づいて、MgAl₂O₄の耐照射損傷性の機構について考察を進めている。電子励起密度、電子励起/はじき出し損傷比の観点により整理し、長寿命核種核変換処理用材料としての適用性について総括する。

４．参考文献

[1] K. Yasuda and C. Kinoshita, Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res., B 191 (2002) 559.