第１章 研究の現状と今後の計画（概要）
31． 量子エネルギー材料科学国際研究センター
センター長・教授（兼）
永井 康介
【構成員】
センター長・教授（兼）：永井 康介／准教授：小無 健司／准教授：外山 健／助教：吉田 健太、仲村 愛、清水 悠晴／
技術職員：山崎 正徳、渡部 信、阿部 千景、鈴木 克弥／事務係長：菊地 直矢／事務職員：山口 教光、神野 祐太／
産学官連携研究員［2名]／教育研究支援者［2名]／事務補佐員［7名］
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准教授(アルファ放射体実験室・室長)：山村 朝雄／技術職員：白崎 謙次、永井 満家／技術補佐員［1 名］／産学官連 携研究員［1名]
【研究成果】
○原子炉を用いた材料照射研究
ベルギー原子力研究所(SCK/CEN)との研究協力を進め、MICADO-10プロジェクトとして低温高フラッ クスおよび低温高フラックス照射を行なった。また、大洗研究会を主催し、ほぼ全ての国内の照射関 連研究者の出席を得て、材料照射研究に関する議論を行った。特に、日本原子力研究開発機構（JAEA）
のJMTRの廃炉が決まり、今後の研究開発の方向性に関する議論を行った。
○原子力材料研究
軽水炉材料では、陽電子消滅・３次元アトムプローブ・透過型電子顕微鏡などによるミクロ組織分 析を進展させた。特に、ウィークビームSTEM法を開発したことで、原子炉圧力容器鋼の照射脆化で重 要な微小転位ループを従来よりも大幅に広い観察領域を高分解能で観察できるようになった（Ref.1）。 高速炉材料では、使用済み燃料からの長寿命廃棄物であるマイナーアクチノイド（MA）の核変換処理 用ターゲットとしてMA水素化物材料の研究を実施した。MA水素化物を利用することによりMA金属や MA 酸化物を利用する場合のそれぞれ３倍、４倍の効率向上が期待できることを見出した。この成果に 基づいた研究課題「早期実現化を目指した MA-Zr 水素化物を用いた核変換処理に関する研究開発」が 文部科学省の原子力システム研究開発事業の課題として採択され平成28年度から４年間実施すること となった。核融合材料では、核融合科学研究所との共同研究を進め、放射線管理区域内に整備された 小型プラズマ装置付昇温脱離装置を利用してタングステン中の水素同位体挙動を調べた（Ref.2）。
アクチノイド化合物の基礎物性研究を主軸とした試料作成および評価のための機器の整備が格段に 進み、国内の共同利用研究者のみならず海外の研究者の利用実績も始まった。純良な試料を作成でき る環境が整っており、育成された純良な単結晶試料を用いた研究が多数行われている。また、新しく 設置された物理特性測定装置では、0-9 T磁場中0.4-300 Kまでの電気抵抗および比熱が簡便に測定で きるだけでなく、アクチノイド物質科学研究部門の青木教授が開発した断熱消磁セル(ADR)を装着する ことにより0.2Kまでの電気抵抗も数時間で測定できるようになった。これらにより極低温の転移点を 持つ超伝導等の新規物性の探索やそのメカニズム解明の研究が加速されることが期待される。今年度 では他大学との共同研究で非従来型超伝導体のウラン化合物のギャップ構造が新たに明らかにされた
（Ref.3）。
○人材教育
昨年度に引き続き、経済産業省資源エネルギー庁 平成 28 年度「安全性向上原子力人材育成事業」
に採択された（代表者：永井康介）。大学院生、大学生、高等専門学校生、社会人を対象として、４つ の機関（東北大学金属材料研究所附属量子エネルギー材料科学国際研究センター、日本原子力研究開 発機構、日本核燃料開発株式会社、日本原子力発電株式会社）の研究設備と教育設備を利用して、今 後の原子力に関わる人材育成を実施した。これに加えて、文部科学省の「国際原子力人材育成イニシ アティブ事業」として「放射性廃棄物処理・処分における分離・分析に関する教育」が採択され平成 28 年度から３年間実施することとなった。本課題では、大学生及び大学院生等を対象に、一般の原子 力発電所や東京電力福島第一原子力発電所で対応が必要となる放射性廃棄物の処理・処分に焦点を当 てた講習及び実習を実施した。
Ref.1 K. Yoshida, M. Shimodaira, T. Toyama, Y. Shimizu, K. Inoue, T. Yoshiie, M. J.
Konstantinovic, R. Gerard, Y. Nagai, “Weak-beam scanning transmission electron microscopy for quantitative dislocation density measurement in steels”, Microscopy, 66,120(2017).
Ref.2 Y. Hatano, K. Ami, V.Kh. Alimov, S. Kondo, T. Hinoki, T. Toyama, M. Fukuda, A. Hasegawa, K. Sugiyama, Y. Oya, M. Oyaidzu, T. Hayashi, “Deuterium retention in W and W-Re alloy irradiated with high energy Fe and W ions: Effects of irradiation temperature”, Nucl.
Mater. Energy, 9, 93(2016).
.Ref.3 Y. Shimizu, S. Kittaka, T. Sakakibara, Y. Tsutsumi, T. Nomoto, H. Ikeda, K. Machida, Y.
Homma, D. Aoki, “Omnidirectional Measurements of Angle-Resolved Heat Capacity for Complete Detection of Superconducting Gap Structure in the Heavy-Fermion Antiferromagnet UPd2Al3”, Editors’ Suggestion in Phys. Rev. Lett. 117 ,037001(2016).
【研究計画】
原子炉利用では、JAEA の常陽の再稼働に向けた準備を行い、照射キャプセルの概念設計や熱計算な どを検討する。海外原子炉の利用では、原子炉国際ネットワークの構築とその中での特徴的な役割分 担が重要であることをふまえ、国際原子力機関などの国際機関との連携、各地域における拠点との連 携強化を継続する。具体的には、ベルギー原子力研究所の BR2 を利用して加圧水型炉条件照射や低温 高フラックス照射などを行う。
照射後試験研究では、当センターに整備されたミクロ組織解析装置（透過型電子顕微鏡、３次元ア トムプローブ、陽電子消滅法、昇温脱離測定など）や機械的試験装置を共同利用研究に引き続き提供 し、軽水炉・次世代炉・核融合炉の関連材料における照射効果を調べる。また、過去にJMTRや常陽で 照射された試料を共同利用研究に引き続き提供する。
アクチノイド化合物の物性研究では、テトラアーク炉によるチョクラルスキールスキー法、フラッ クス法、ブリッジマン法、化学輸送法などを駆使して、主にウランおよびトリウム化合物の純良単結 晶を育成する。希釈冷凍機や断熱消磁法により極低温、さらに必要に応じて高磁場や超高圧での多重 極限下での物性測定を行う。また、ドハース・ファンアルフェン効果、核磁気共鳴、メスバウアー分 光等のミクロスコピックな測定技術を駆使して新物質、新奇超伝導体探索および電子状態の解明を進 める。大学院生等を対象として長年に渡って夏期休暇期間に実施している「大洗原子力夏の学校」お よび「高等専門学校学生原子力インターンシップ」を継続して実施する。また、H28年度に開始した「放 射性廃棄物処理・処分における分離・分析に関する教育」を文部科学省の「国際原子力人材育成イニ シアティブ事業」の予算援助を受け継続して実施する。
32．
新素材共同研究開発センター
センター長・教授(兼)古原 忠
（2015.4 ～）【構成員】
センター長(併)：古原 忠／教授：正橋 直哉(2016.6～)准教授：湯葢 邦夫、梅津 理恵(2016.4～)／助教：吉年 規治、張 岩／技術職員：村上 義弘、野手 竜之介、菅原 孝昌、戸澤 慎一郎、野村 明子、大村 和世、成田 一生、原田 晃一、
杉山 知子／客員教員(国外)［2名]／非常勤講師[1名]／技術補佐員［1名]／事務補佐員［3名]／教授（兼）： 後藤 孝、
高梨 弘毅、今野 豊彦、米永 一郎、千葉 晶彦、杉山 和正、吉川 彰、加藤 秀実／准教授（兼）：ﾍﾞﾛｽﾙﾄﾞﾌ・ﾛﾃﾞｨｵﾝ
１. 物質創製研究部
【研究成果】
物質創製研究部では、既存の材料の機能より優れている材料や、新たな機能を呈する材料の創製研 究に取り組んでいる。以下に、平成28年度の研究成果の概要を紹介する。
(1) 環境・生体材料においては、環境浄化機能と生体適合性に優れたTiO2の創製とその機能改善の研 究を行った。本所で開発した細胞毒性のない元素から構成され、低ヤング率 TiNbSn 合金に高圧印加 のもとに陽極酸化を施すことで、結晶性の高いTiO2を基板上に成膜できる。このTiO2 に温水処理を 施すことで光誘起機能と高い骨伝導性を有することが、in vitroならびにin vivo実験から明らかにな
った（ Ref.1 ）。また、成膜時の陽極酸化反応をアノード分極曲線から、TiNbSnがTiよりも反応時
の電流が低く、酢酸溶液中での耐食性に優れていることが明らかになった。
(2) 構造材料においては、SPSを活用した銅合金と鋼材の固相接合の研究を行った。Fe中のCuの拡 散定数およびCu中のFeの拡散定数から、両金属間の相互拡散を期待できず、FeへのCuの固溶度や CuへのFeの固溶度から相互固溶も起こり難い。そこでAlとSiを含有するCu合金を用いることで、
SPSによる接合界面近傍の局所的な加熱により、界面近傍での相変態を誘起し、Alと Siの濃度勾配 を駆動力とした新粒を形成させ、接合強度の向上を見出した。実用的な観点から Cu 合金薄肉化を検 討し、第二相の接合界面からCu合金側に成長した柱状晶先端への、Cu合金析出相の集積促進が確認 でき、SPS接合時のエネルギーの局所化に起因すると考察した。
(3) 軟磁性材料においては、Fe-Si-B-P-Cu合金の結晶化メカニズム、Cu族元素置換による特性への影 響、ナノ結晶構造による活性溶解メカニズムの研究を行った。実験とシミュレーションから元素間の 化学結合と拡散に基づく解析を行い、ナノ結晶化のメカニズムをFe-Si-B-Nb-Cuと比較して調査した。
比較材のFe-Si-B-Nb-Cuは、NbとBが化学的インターロックに起因して拡散が著しく低く、Bがト
ラッピングされるため、第一結晶化過程でbcc相析出が促進されるのに対し、Pの拡散は比較材のNb やBほど遅くなく、急速加熱により核生成が促進されて微細結晶となることが判明した。( Ref. 2 ) Ref.1 H. Tanaka, Y. Mori, A. Noro, A. Kogure, M. Kamiura, N. Yamada, S. Hanada, N. Masahashi
and E. Itoi.
“I apatite formation and biocompatibility of a low Young’s modulus Ti-Nb-Sn alloy treated with anodic oxidation and hot water”.
PLoS One, 11 e0150081 (2016).
Ref.2 Y. Wang, Y. Zhang, A. Takeuchi, A. Makino and Y. Kawazoe.
“Investigation on the crystallization mechanism difference between FINEMETⓇ and