研究内容

研究内容

  世界のエネルギー消費量は経済成長とともに増加を続けており、そのエネルギー資源の大部分を化石燃料に頼っています。今後もますますエネルギー需要は増加すると予想されており、それらのエネルギー需要に応えつつCO2排出削減などの課題も同時に解決していかなければなりません。そのためにはエネルギープラントの高効率化は必要不可欠です。本研究室では、次世代原子炉や核融合炉のような次世代のエネルギープラントに使用可能な高機能材料の開発を目指し、実験・計算の両面から研究開発を行っています。

スーパーODS鋼の開発

superODS 次世代原子力システムとして検討されている超臨界圧水(SCW)冷却高速炉および鉛ビスマス(LBE)冷却高速炉の高効率化に不可欠な高燃焼度化対応型の革新的な燃料被覆管材料を開発することを目的に研究開発を進め、ナノテクノロジーによる材料組織制御技術を駆使することで、高温でも強く、錆びにくく、且つ、原子炉照射にも強い、三拍子の揃った革新的な原子炉燃料被覆管材料「スーパーODS鋼」の開発に成功しました。(ODS鋼: Oxide Dispersion Strengthened Steel)

 従来のステンレス鋼は、高燃焼度化を達成する上で照射下寸法安定性、照射脆化、ヘリウム脆化及び耐食性等に深刻な課題を抱えていました。また、ナトリウム冷却高速炉(SFR)用に開発された高性能な酸化物分散強化型(Oxide Dispersion Strengthened: ODS)9Cr鋼は、高温強度と耐照射性能の要件を満たしていますが、LBEやSCWに対する耐食性が十分ではありません。そこで本研究室では、Cr濃度が13%以上の高Cr-ODSフェライト鋼製造技術をベースにして、従来に無い合金設計と製造プロセス法を考案することにより、高温強度特性、耐照射性能および耐食性の全てを兼ね備えた革新的な燃料被覆管材料として「スーパーODS鋼」を開発し、次世代原子力システムの高効率化・高燃焼度化の実現に向けて貢献しています。また、スーパーODS鋼は、超臨界火力プラントの配管、自動車用鋼板や配管、鉛電池隔壁等、非原子力分野での応用も可能であり、広範な用途が見込まれています。

 また、このようなODS鋼の優れた特性が何に起因するのかを、透過型電子顕微鏡等を用いて原子レベルから解析し、その解明に取り組んでいます。

 

低放射化フェライト鋼の照射影響評価

flags 低放射化フェライト鋼は核融合炉第一壁への第一候補材として、日本、アメリカ、EUなどなど多くの国と地域で研究開発が続けられています。低放射化フェライト鋼は、熱交換器等に利用されていいたフェライト/マルテンサイト鋼の組成をもとに、添加元素のMoやNbをWやTaで置き換えることで誘導放射能の低減を狙った材料です。日本が開発した低放射化フェライト鋼F82Hは、国際エネルギー機関(IEA)のもと、世界中でラウンドロビン試験に供され、世界で最もデータベースが充実した材料となっています。本研究室では、核融合炉の早期実現に向けた日欧の国際共同研究開発プロジェクトであるBA活動に参画し、低放射化フェライト鋼の照射影響について研究を行っています。

 

プラズマ対向材料評価

w 核融合炉ダイバータやブランケット第一壁といった炉心プラズマに対向する機器のことをプラズマ対向機器と言い、それらに使用される材料をプラズマ対向材料といいます。特にダイバータは定常運転時で約10 MW/m2の熱負荷がかかるとともに、極短時間ではありますがELMと呼ばれる20 MW/m2相当の非定常な高熱負荷に曝されることが想定されています。このような高い熱負荷に耐える材料としてタングステンが近年注目され研究が進められています。本研究室では、タングステンダイバータを対象として、FEMを利用した応力解析、高温引張試験機や高温衝撃試験機(自作)などを活用した高温特性評価、イオン加速器を用いた照射影響評価など様々な視点からプラズマ対向材料の研究を行っています。また、日米科学技術協力事業核融合分野プロジェクトPHENIX計画に参加し、タングステンに及ぼす中性子影響について共同研究を進めています。

 

耐熱被覆技術開発

joint 酸化物分散強化(ODS)鋼は、高温強度特性、耐照射性、対環境性等の優れた特性のため、先進核融合ブランケット構造材料として期待されていますが、既存の溶接法ではその優れた特性を維持が困難であるため、新たな接合技術開発が必要とされています。本研究室では、ODS/W、ODS/ODS、ODS/F82H、F82H/F82Hなどの接合技術の開発・評価を行っています。これまでに、液相拡散接合、固相拡散接合、摩擦攪拌接合、電子ビーム溶接など、様々な接合手法に取り組むとともに、接合後の照射特性についても評価を行っています。

 

高エネルギー粒子線を用いた原子レベル材料挙動解析

radiation 原子炉や核融合炉で使用される材料は炉心からの中性子によって損傷を受け、機械特性が劣化します。その劣化度合いを適切に評価することが、原子炉の安全や核融合炉の実現において重要です。本研究室では、粒子線照射による材料劣化のメカニズムを原子レベルから解き明かすことを目的として、実験・計算の両面から研究を進めています。特に、本研究所の有するイオン加速器DuETは、2つのビームラインによって重イオンとHeの同時照射が可能で、核融合炉環境を模擬することができる有力なツールとなっています。FIBやTEMといった最先端の分析機器も揃っており、原子レベルでの解析が可能です。得られた実験結果は、第一原理や分子動力学などの計算機シミュレーションも活用しながら検討を行い、欠陥の発達挙動や機械特性に及ぼす影響など、幅広いスケールで研究を進めています。

 

応力腐食割れの解明

scc 炉心シュラウドのひび割れなど低炭素ステンレス鋼における応力腐食割れが多数報告されており、応力腐食割れのメカニズム解明は原子炉の安全運転において重要課題の一つといえます。また、核融合炉の冷却水配管材料としても低炭素オーステナイト鋼が検討されており、応力腐食割れの発現が懸念されます。本研究室では、超臨界水や高温高圧水など様々な環境を模擬可能な装置を用いて応力腐食割れのメカニズム解明に向けた研究を展開しています。

 

木村研の行事

例. 2014年度の木村研の代表的なイベント

2014.4 研究室顔合わせ会(オリエンテーション)
2014.6 第10回核融合エネルギー連合講演会(つくば)に参加(D, M2)
2014.7 前期打ち上げ
2014.8 原子力学会材料部会、核融合工学部会等が主催する夏の学校に参加(M1)
2014.9 日本原子力学会(京都)、日本金属学会(名古屋)に参加(D, M2)
2014.9 28th SOFT(Symposium on Fusion Technology)2014(スペイン)に参加(D)
2014.12 忘年会
2015.2 修論、博論発表会
2015.3 日本金属学会(東京)に参加(D, M1)、追い出しコンパ

※上記に加え、週一回の雑誌会、月一回の研究討論会を行っています。

※本研究室では、良い成果が出れば修士学生でも海外で開催される国際会議で発表してもらっています。学会発表に向けた研究指導やその他のサポートもバッチリですので安心してください。

今後の主な国際会議予定

2016年度:SOFT(プラハ/チェコ)、TOFE(フィラデルフィア/アメリカ)、NuMat(モンペリエ/フランス)

2017年度:ICFRM(青森/日本)、ISFNT(京都/日本)

 

学生募集

当研究室へ入学希望の皆様へ

 当研究室は、京都大学大学院エネルギー科学研究科エネルギー変換科学専攻の協力講座として、博士課程前期(修士)課程、博士課程後期(博士)課程の学生を受け入れています。学生の出身大学は京都大学に限らず、他大学を含め多岐に渡っています。入学前の専門分野としては、材料工学や機械工学を専攻していた学生が多数を占めています。材料について何もわからないという人でも、2年間で立派に修士の学位を取得できるように指導しますので安心してください。本研究室に興味のある4回生、修士課程の学生は是非ご連絡下さい。また、これまでに社会人ドクターコースの学生も受け入れております。

 入学試験の詳細に関しては、エネルギー科学研究科のホームページ等も参考にしてください。

 

木村研の環境

ujicampus 本研究室は、宇治キャンパスに位置しています。宇治は源氏物語と宇治茶の町として有名で、世界遺産でもある平等院鳳凰堂があります。京都市内とはまた違った雅な雰囲気に囲まれています。宇治キャンパスには附属研究所が多くあり、最先端の大型研究施設が多数存在しています。学生も修士以上の学生が多く、大学時代に授業を受けたり、サークル活動等で楽しんだ吉田キャンパスや他大学と比較すると物静かな印象を受けるかもしれません。その分研究に集中する環境が整っており、思う存分研究に打ち込む事ができます。木村研の所属するエネルギー理工学研究所は、ヘリオトロンJやDuET、MUSTERといった他では滅多にお目にかかれない特徴的な施設群を多数保有しています。木村研に所属する学生は、DuETやMUSTERの最先端設備群を駆使して、エネルギー機器材料の研究開発に日々勤しんでいます。

 

木村研に期待される学生像

student 木村研は、京都大学の学風たる「自由」というものに重きをおいて教育・指導を行っています。研究室のミーティングなどは有りますが、コアタイムなど研究室に強制的にこさせるようなシステムはありません。これは、「自由」に遊んでいても修士や博士が取れるということではありませんのでご注意を。修士・博士の学生は、学部生以上に研究成果や自身の研究に対する理解を求められます。にも関わらず、バイト、サークル活動、就職活動やその他の社会活動などなど、大忙しです。その中でも、研究をおろそかにすることなく自分の時間をコントロールする。そのように自分自身をマネージメントできる学生になってくれることを期待しています。研究内容についても、言われたことをやるだけではなく、自分でその都度課題を見つけ、その解決方策を悩み考えながら、主体的に研究を進めていくことを期待しています。もちろんそのための指導・サポートは惜しみませんので、何かあればいつでも教員に相談してください。

 また、本研究室は非常に国際色豊かです。研究室には現在、韓国、中国、オーストリア、アメリカ、台湾からの留学生、ポスドクが所属していますし、時々海外からの短期留学生も訪問します。もちろん彼らとのコミュニケーションは英語を基本としていますが、英語に自身がないのはお互い様ですので語学力は気にする必要はありません。大切なのは「お互いなんとかしよう、してあげよう」という温かい気持ちを持つことです。そのような異文化交流を通してグローバルな人材に育つとともに交友関係を世界に広げることができます。

 端的に言えば、京都大学の学風たる「自由」というものを高度に理解しかつ実践することが出来る(もしくはそうしようと意欲のある)人間が、当研究室において最も輝くことのできる学生像であると考えられます。

 

就職状況

博士課程修了者

核融合科学研究所、㈱原子力安全システム研究所、京都大学エネルギー理工学研究所、東北大学大学院工学研究科、(独)日本原子力研究開発機構、韓国生産技術研究院(韓国)、韓国原子力研究院(韓国)、POSCO(韓国)など

修士課程修了者

川崎重工業㈱、三菱重工業㈱、日産自動車㈱、中部電力㈱、関西電力㈱、ダイキン工業㈱、三井住友銀行㈱、JFEスチール㈱、電源開発㈱、博士課程進学、㈱デンソー、トヨタ自動車㈱など

 

企業の皆様へ

 京都大学エネルギー理工学研究所では、産業界を中心とした幅広いニーズに応えられる事業(産学官連携事業 先端研究施設共用プログラム)として、基礎研究からイノベーション創出に至るまでの科学技術活動全般への貢献を行っています。

 当研究所の保有する「超高温から極低温に至る広い温度範囲での材料照射が可能な複合ビーム材料照射装置(DuET) 」と「原子レベルから工学的・実用化レベルまでの幅広い領域をマルチスケールで解析・評価できるマルチスケール材料評価基盤設備(MUSTER)」 とそれらの応用技術やソフト技術を広く社会に公開し、施設共用を実施しています。

 詳細はADMIREのHPでご確認下さい。