原研ら,新規観察法でセラミックスの自己修復能力を発見

日本原子力研究開発機構(原研)と,量子科学技術研究開発機構(量研)は,特定のセラミックスが放射線に強い理由を探るために,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㎚の大きさの超微細組織を観察する新しい手法を開発した(ニュースリリース)。

放射線に曝されるとセラミックスも材料の内部や表面に損傷(照射損傷)が生じる。特に高エネルギー重粒子線に照射されると顕著な照射損傷が生じる。しかし,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分かっており,そのメカニズムを解明することが課題だった。

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は,数㎚の大きさを持つ超微細組織が発生することが分かっている。原研ではここに理由が隠されているのではないかと考え,走査型電子顕微鏡や原子間力顕微鏡を利用して,超微細組織の観察を試みた例はあったが,分解能が足りないため詳細は不明だった。

対して,透過型電子顕微鏡は分解能が高く,原子レベルで観察できるので,微細な観察や分析に威力を発揮する。しかし,単純に透過型電子顕微鏡を利用しても超微細組織を詳細に観察することはできない。そのため,原研は量研と共同で,透過型電子顕微鏡を利用して,超微細組織を観察する新しい手法を開発することをまず目指した。

重粒子一個がセラミックス試料を通過すると,表面には超微細組織(超微細な隆起物)が形成されるが,従来の観察法では,超微細組織以外の組織も重なって見えてしまうので,どれだけ高倍率で見ても超微細組織の様子はよく分からなかった。そこで,重粒子線を斜めから照射してみると,試料の端に観察したい超微細組織が形成された。

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によって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。その結果,これまで不明だった超微細組織の内部の状態が詳細に分かるようになった。

また,高エネルギー重粒子線を照射すると,照射された場所の原子の配列が乱れる。セラミックスの表面に発生した超微細組織もその内部の原子の配列は乱れていたが,「放射線に強い」特定のセラミックスでは,超微細組織の内部の原子が整列していることが分かった。

超微細組織の内部の原子の配列が一旦は乱れたにもかかわらず,すぐに原子の配列が整列し直した(再結晶化した)ことが示唆されたが,「放射線に強い」これらのセラミックスは,高エネルギー重粒子線の照射によって原子の配列が乱れても,すぐに「自己修復」したと考えられるという。

研究グループでは,今後,核燃料セラミックスである酸化ウランを対象にして,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いる。放射線に非常に強い核燃料セラミックスが放射線環境で自己修復している可能性があり,そのメカニズムの解明を進める。

また,セラミックスの自己修復能力を最大限に生かすための材料開発も進めていく予定。セラミックスがもつ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が期待できる。また,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・開発の可能性が広がるとしている。

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