放射線環境中のセラミックスがもつ自己修復能力を発見 セラミックス表面を観察する新手法の開発で

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(左)自己修復できないセラミックス (右)自己修復できるセラミックス の表面に発生した超微細組織の写真

日本原子力研究開発機構(以下、原子力機構)と量子科学技術研究開発機構は2017年10月27日、特定のセラミックスが放射線に強い理由を探るため、高エネルギー重粒子線を照射したセラミックスに形成される数nmの超微細組織を観察する新しい手法を開発、その手法を用いて超微細組織を観察した結果、特定のセラミックスがもつ自己修復能力が示唆されたと発表した。

一般的に材料は放射線に曝されると劣化が進む。セラミックスも同様だが、近年フッ化バリウム(BaF2)や酸化ウラン(UO2)等の特定のセラミックスにおいては、予想より照射損傷が少ないことがわかってきた。このメカニズムを解明するため、原子力機構では、高エネルギー重粒子線を照射したセラミックスの表面に生じる数nmの超微細組織に着目。その観察手法の開発に着手した。

この超微細組織の観察には、走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡が利用されたことはあるが、分解能が不足していた。これに対し、加速された電子を薄く加工した試料に透過させ、その電子を利用して拡大像を得る透過型電子顕微鏡は分解能が高く、原子レベルで観察が可能だ。しかし超微細組織以外の組織も重なって見え、高倍率でも様子がよくわからなかった。

そこで今回、重粒子線を斜めから照射してみたところ、試料の端に観察したい超微細組織が形成されることがわかった。これにより、様々なセラミックスにおいて、高エネルギー重粒子線の照射で発生した超微細組織をクリアに観察することに成功した。

従来法と新しい観察法との比較

この手法により、イットリウム鉄ガーネット(Y3Fe5O12)などのセラミックスの表面に発生した超微細組織を観察すると、その内部の原子の配列が乱れていた。一方、フッ化バリウム(BaF2)やフッ化カルシウム(CaF2)などの「放射線に強い」特定のセラミックスを観察すると、超微細組織の内部の原子が整列していることがわかった。超微細組織の内部の原子の配列が一旦乱れてからすぐに整列し直した(再結晶化した)と考えられ、「放射線に強い」セラミックスには、自己修復能力が備わっていることが示唆された。

今後、核燃料セラミックスである酸化ウラン(UO2)を対象に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おり、セラミックスの自己修復メカニズムの解明を進め、それを最大限に生かすための材料開発も進めていく予定だ。セラミックスの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や、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・開発が期待できるとしている。

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