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作成： 1996/11/12 工藤 久明
データ番号 ：010020
核融合炉用繊維強化高分子複合材料の放射線照射効果
目的 ：核融合炉用超電導磁石絶縁材に用いる繊維強化高分子複合材料の力学特性試験による耐放射線性評価および高耐放射線性エポキシ樹脂の開発
放射線の種別 ：ガンマ線,電子,中性子
放射線源 ：電子加速器(2MeV)、原子炉中性子(E>0.1MeV)、パルス中性子(E>0.1MeV)、Co-60γ線源
フルエンス（率）：5.8x1021 - 3.3x1022 m-2、 3x1017 m-2s-1
線量（率） ：電子線:最大200 MGy、γ線:最大200 MGy、 0.012 - 0.017 MGy/h、 中性子:最大160MGy、原子炉中性子:最大5x1022 m-2、 106 Gy/h、 2.8x106 Gy/h、 パルス中性子:最大7.8x1021 m-2、 2x104 Gy/h
利用施設名 ：電子線:日本原子力研究所高崎研究所
原子炉中性子:TRIGA Mark II reactor Vienna、 Munich研究炉(Garching、 独)
パルス中性子:アルゴンヌ国立研究所、Intense pulsed neuron source (IPNS)
γ線:日本原子力研究所高崎研究所
照射条件 ：室温・空気中またはアルゴン中、5Kおよび330K
応用分野 ：核融合炉用超電導磁石の構造材料、電気的・熱的絶縁材
概要 ：
種々の繊維強化高分子複合材料に、ガンマ線、電子線や中性子を照射し、曲げ・引張り試験を行った。曲げ強度は樹脂の破壊歪みと耐放射線性に支配されること、中性子照射にはガンマ線や電子線照射より敏感になること、照射温度の影響はないことなどがわかった。引張り試験では、3次元繊維強化したビスマレイミドが最も耐放射線性が高かった。また、核融合炉用超電導磁石絶縁材料に要求される調製基準を満たす高耐放射線性の液体エポキシ樹脂が開発された。
詳細説明 ：
1.引張り試験による耐放射線性評価の研究
1.1.室温照射による引張り強度の変化
1.1.1.電子線照射
2次元織りSガラス繊維強化エポキシ(CTD-101)、2次元織りEガラス繊維強化エポキシ(ORLITHERM NおよびEPO-HGW)、3次元織りTガラス繊維強化エポキシ(ZI-003)、3次元織りTガラス繊維強化ビスマレイミド(ZI-005)の試料を、室温下で2MeV電子線を照射した後に、77Kで引張り試験したところ、材料間比較からEPO-HGW < ORILITHERM N < CTD-101 < ZI-003 < ZI-005 の順に耐放射線性が高いことがわかった。
1.1.2.原子炉およびガンマ線照射
電子線に対する耐放射線性が高い3つの材料について室温で原子炉およびガンマ線照射した。強度が低下する挙動に、原子炉、パルス中性子線、純ガンマ線、2MeV電子線の間で差はなかった。試験片がホウ素を含まないためホウ素と中性子の核反応が寄与しなかったこと、計算コードにより中性子からのエネルギー付与が正確に評価できたことが理由として考えられる。材料間の比較ではZI-005が最も耐放射線性が高かった。
1.2.液体ヘリウム温度5K照射による引張り強度の変化と昇温の影響
同じ3つの材料について、5Kで原子炉照射したところ、室温照射と5K照射で強度が線量とともに低下する挙動に違いがなかった。また5K照射後室温までの昇温の有無で結果に差がなく、室温までの熱サイクルの影響がなかった。
2.曲げ試験による耐放射線性評価の研究
2.1.試験片
特別に調製したガラス/エポキシまたはガラス/ポリイミドの高分子複合材料および市販の高分子複合材料を用いた。組成などを表1に示す。
表1 特別に調製された高分子複合材料および補強充填材として使用されたガラス繊維の平織りクロス。 TGDDM:テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、DDS:ジアミノジフェニルスルホン、DGEBA:ビスフェノールAのジグリシジルエーテル、Kerimid:ポリアミノビスマレイミドである。市販の試料とは、G-10CR(Eガラス/DGEBA/ジシアノジアミド)、G-11CR(Eガラス/DGEBA/DDS)、TIL-G1000(Eガラス/ポリイミド樹脂)である。（原論文3より引用）
(a)
Fabric
|
Fiber
Typea |
Fiber
Diameter
(μm)
|
Number of
Fibers in
a)Yarn |
Number of
Yarns per 25mm |
| Warp |
Weft |
KS-1210
KS-1600
WTX-116E
WTA-18W |
E-Glass
E-Glass
T-Glass
T-Glass
|
7
9
7
9
|
200
400
200
400
|
53
41
60
44
|
48
32
58
34 |
a)E-glass composition (Wt%): SiO2(55.2),Al2O3(14.8),CaO(18.7),
MgO(3.3),B2O3(7.3),Na2O+K2O(0.5),Fe2O3(0.3),F2(0.3),TiO2(0.1).
T-glass composition (Wt%): SiO2(65), Al2O3(23),CaO(<0.01),MgO
(11),B2O3(<0.01),Na2O+K2O(<0.1),Fe2O3(<0.1),Zr2O3(<1.0).
(b)
Composite
|
Reinforcing
Fabric
|
Matrix
Resin |
Volume
Fraction of
Fibers(%) |
Average
Thickness
(mm) |
Glass/Epocxy
Glass/Epocxy
Glass/Epocxy
Glass/Epocxy
Glass/Epocxy
Glass/Polyimide
Glass/Polyimide
Glass/Polyimide |
KS-1210
KS-1600
WTX-116E
WTA-18W
KS-1210
KS-1210
WTX-116E
WTA-18W |
TGDOM/DDS
TGDOM/DDS
TGDOM/DDS
TGDOM/DDS
DGEBA/DDM
Kerimid 601
Kerimid 601
Kerimid 601 |
63
66
63
58
55
62
50
60 |
1.81±0.07
1.98±0.04
2.12±0.01
1.99±0.02
2.44±0.05
2.05±0.06
1.99±0.03
1.96±0.01 |
2.2.照射雰囲気の影響およびガンマ線照射と電子線照射の比較
室温下でアルゴン中または空気中でガンマ線または電子線を照射し、77Kで試験して曲げ強度の吸収線量に対する変化を調べたところ、線質にも照射雰囲気にも関係しなかった。
2.3.曲げ強度及び層間せん断強度を支配する機構
室温でガンマ線照射した5種類のEガラス繊維強化複合材料を4Kで試験した時の曲げ強度の変化から、マトリックス樹脂の耐放射線性にしたがって、G-10CR < G-11CR≒ガラス/エポキシV < ガラス/エポキシI < ガラス/ポリイミドI、の順に耐放射線性が高くなった。77Kでの曲げ強度は4Kでの測定値と同じであった。室温での測定値は、初期強度は低い(約半分)が照射による低下も緩やかであった。複合材料の破壊歪みとマトリックスの破壊歪みの相関から、マトリックスの破壊歪みが曲げ強度の吸収線量依存性を支配すると結論づけられた。層間せん断強度の吸収線量依存性は、マトリックスの種類によらず、繊維とマトリックスの界面結合力の低下によることが示された。
2.4.中性子照射に対する劣化挙動
(1)線質の影響：中性子照射とガンマ線照射を、室温照射後に77K試験した時の曲げ強度の変化で比較したところ、中性子照射の方が大きく減少した。
(2)照射温度の影響：中性子照射を室温と5Kで行い、室温まで昇温の後77Kで曲げ試験したところ、照射温度に関係なかった。
2.5.補強充填材の種類などの影響
曲げ強度の初期値は、ガラス繊維の種類には依存しないが補強材クロスの織り方・試験片厚さ・繊維充填率には依存すること、また強度が照射によって低下する劣化挙動は、ガラス繊維の種類・クロスの織り方・試験片厚さ・繊維充填率のいずれにもに依存しないことがわかった。
3.高耐放射線性エポキシ樹脂の開発
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)およびBPX (Burning Plasma Experiment) 用超電導磁石絶縁材料の樹脂には、常温で12時間以上のポット寿命、1000cP以下の粘度、摂氏150度以下でのキュアリングが可能なこと、キュアリングに際し揮発物が出ないこと、高い含浸性、繊維やステンレス鋼との接触性が良いこと等が求められる上に、高い耐放射線性を持つことが要求される。それらの条件を満たす液体エポキシ樹脂が開発された。その樹脂のS-2ガラス強化樹脂CTD-101の特性を表2に示す。
表2 Properties of the CTD-101 Resin System.（原論文4より引用。 Reproduced from Advances in Cryogenic Engineering (Materials), vol. 38, page 255-259 (1992), Tab.1(p.256), with permission from Plenum Publishing Corporation, and with kind permission of the authors.）
---------------------------------------------------------
MIXED RESIN PROPERTIES
Viscosity 400 cP at 40℃
Pot life 60 h at 40℃
COMPOSITE PROPERTIES (55 vol.% S-2 Glass reinforcement)
Torsion shear strength 201 ± 10 MPa
Torsion shear strain 0.039 ± 7%
Torsion shear modulus 9.1 ± 1.0 GPa
Compression strength 1255 MPa (L/D = 2.0)
Fracture strength, GIc 0.308 kJ・m-2
---------------------------------------------------------
CTD-101を原子炉で4Kおよび330Kで照射し、76Kでねじりせん断試験したところ、4K照射では、ITERでの耐放射線性基準である30MGyでは層間せん断強度は初期強度200MPaからの低下は見られず、BPXでの基準である100MGyでは50MPaに低下したものの要求強度14MPaを上回っていた。なお、330K照射では、5MGyで170MPa程度に減少し4K照射より低線量で劣化した(図1)。
図1 Shear strength as a function of dose and irradiation temperature for the CTD-101 epoxy resin system. Specimens were tested at 76K.（原論文4より引用。 Reproduced from Advances in Cryogenic Engineering (Materials), vol. 38, page 255-259 (1992), Fig. 4(p.258), N. A. Munshi, A RADIATION-RESISTANT EPOXY RESIN SYSTEM FOR TOROIDAL FIELD AND OTHER SUPER CONDUCTING COIL FABRICATION; Copyright(1992), with permission from Plenum Publishing Corporation, and with kind permission of the authors.）
コメント ：
抄録原論文1-3では照射温度の影響は無いとしているが、高分子の照射効果には温度依存性が報告(参考資料2)されており、また複合材料でも報告例(参考資料3)がある。ただし参考資料3でも室温までの熱サイクルの影響は無い。原論文1では中性子照射効果とガンマ線・電子線照射効果に差がないとしているが、原論文2、 3ではあるとなっているので、理由としては試料がボロンフリーであることが主であると思われる。
原論文１ Data source 1：
Tensile strength of fiber reinforced plastics at 77K irradiated by various radiation sources,
K. Humer, H. W. Weber, E. K. Tschegg*, S. Egusa**, R. C. Birtcher***, H. Gerstenberg****,
Atominstitu der Oesterreichischen Universitaeten, A-1020 Wien Austria, *Institut fuer Angewandte und Technische Physik, TU Wien A-1040 Wien, Austria, **Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, Takasaki-shi, Gunma 370-12 Japan, ***Materials Science Division, Argonne National Laboratory, Argonne, IL 60439, USA, ****Fakultaet fuer Physik, E21, TY Muenchen, D-8046 Garching, Germany,
Journal of Nuclear Materials, vol. 212-215, page 849-853 (1994).
原論文２ Data source 2：
Radiation resistance of polymer composites at 77K : effects of reinforcing fabric type, specimen thickness radiation type and irradiation atmosphere,
Shigenori Egusa,
Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki-shi, Gunma 370-12 Japan
Cryogenics, vol. 31, page 7-15 (1991).
原論文３ Data source 3：
高分子複合材料の放射線照射効果
江草 茂則
日本原子力研究所
放射線化学、第55号、page 13-22 (1993)
原論文４ Data source 4：
A RADIATION-RESISTANT EPOXY RESIN SYSTEM FOR TOROIDAL FIELD AND OTHER SUPER CONDUCTING COIL FABRICATION,
N. A. Munshi
Composite Technology Development, Inc., Boulder, Colorado, USA,
Advances in Cryogenic Engineering (Materials), vol. 38, page 255-259 (1992)
参考資料１ Reference 1：
Neutron Damage Calculations for Material Irradiations,
L. R. Greenwood and R. K. Smither,
ANL/FRP/TM-197(1985)
参考資料２ Reference 2：
Temperature Dependence of the Radiation Chemistry of Polymers,
R. W. Garrett, D. J. T. Hill, T. T. Le, K. A. Milne, J. H. O'Donnell, S. M. C. Perera and P. J. Pomery,
Australian Nuclear Scienceand Technology Organization, Menai, New South Wales, 2234 Australia, *2 Polymer Materials and Radiation Group, Department of Chemistry, University of Queesnsland, Brisbane, Queesland 4072, Australia
American Chemical Society Symposium Series, vol. 475, Radiation Effects on Polymers (edited by R. L. Clough and S. W. Shalaby) page 146 (1991)
参考資料３ Reference 3：
Low Temperature Gamma rays Irradiation Effects on Mechanical Properties of Polymer Materials,
H. Kudoh, N. Kasai, T. Sasuga and T. Seguchi
1233 Watanuki, Takasaki, Gunma 370-12 Japan
Radiat. Phys. Chem., vol. 43, page 329 (1994)
キーワード：核融合炉、高分子、繊維強化複合材料、力学特性、耐放射線性
fusion reactor, polymer, fiber reinforced compoiste, mechanical property, radiation resistance
分類コード：010105, 010102
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