１．研究開発の背景とねらい

　本事業では液体金属ナトリウムを冷却材として用いる高速増殖炉（FBR:Fast Breeding Reactor）を対象とした、摩擦撹拌接合（FSW:Friction Stir Welding）技術の応用による革新的な補修技術を開発している。
　高速増殖炉の実用プラントは軽水炉と同様に60年以上の運転を目指している。液体金属中で炉内を補修する技術が実現できれば、液体金属中で炉内を検査する技術と組合わせることで、長期間のプラント（原子炉）信頼性を合理的なコストで確保できる。このため本研究ではナトリウム中で亀裂を無欠陥で補修できるFSW工具や施工方法を確立することをねらいとしている。

２．研究開発成果

　本研究は平成18年6月からスタートし、平成20年までの3ヶ年で以下の作業を実施する。
　　　　① FSWによるFBR材料の欠陥補修技術の確立
　　　　② ナトリウム中試験
　　　　③ 実機適用性評価
　本稿では平成19年10月までの1年半で得られた①の成果を以下の内容で報告する。
　　　　①-1 FSW工具の最適化検討
　　　　①-2 施工条件の最適化要素試験
　　　　①-3 補修部の金属組織、機械的性質試験
　　　　①-4 欠陥（亀裂）補修試験

2.1 FSW工具の最適化検討
　FSWの接合メカニズムを図−１に示す。回転するFSW工具を接合部に押し当てて、摩擦熱で接合部近傍を加熱して、固相のまま塑性流動させて（撹拌して）接合する。FSW工具を密着させて、施工部に熱を直接与えるため、液体中でも施工ができる。また亀裂内部に深く浸透したナトリウムを撹拌によって施工部表面に排出し、無欠陥で補修できると期待される。
　FSWはアルミなどの柔らかい軽金属を対象に発展した接合技術である。そのためFBR原子炉容器（ステンレス鋼）のように硬い鋼を対象とする場合は、FSW工具も耐磨耗性の優れたものが必要であり、撹拌に必要な施工荷重も大きなものとなる。 　本研究ではFSW工具の材質に立方晶窒化ホウ素（PCBN）材を採用した。PCBNは鋼用のFSW工具材として豊富な研究実績を有している。図−２に試作したFSW工具を示す。図の右端の黒い部品がPCBNであり、ピン部とショルダー部から成る。ピン部はFSW工具を施工部に差し込む（突入させる）際に、施工部を速やかに加熱し軟化させ、工具自身の破損を防止する働きがある。ショルダー部は摩擦撹拌領域を拡大し、接合方向に軟化域を拡げて連続的な接合を可能にさせる働きがある。
　図−２に示すピン部の直径や長さ、ショルダー部の表面形状などをパラメータに約30種類のFSW工具を試作した。目標は深さ5�oの亀裂を3トン(30kN)程度の施工荷重で接合することである。深さ5mmはナトリウム中検査センサの目標性能を考慮して定めた。施工荷重30kNは原子炉内に持ち込み可能な装置の能力を考慮して定めた。
　試作したFSW工具を用いて、工具回転数300rpm、施工速度20mm/minの条件でSUS316L鋼平板のFSW施工を行った。施工の結果から、施工荷重、施工部仕上がり、FSW工具の損耗の好ましいものを抽出した。ピン長さ6�o、ピン直径9�oが好適であった。図−３、４に示すように施工深さ5mm以上、施工荷重は数トンで良好な接合が得られた。また耐久性の良いピン形状を抽出した。 2.2 施工条件の最適化要素試験
　2.1で抽出した好適な工具形状で、SUS316L鋼を対象とした施工条件の検討を行った。検討は２つの制御方式（位置制御、荷重制御）で行ない、施工荷重30kN以下で無欠陥で施工するための適切な入熱条件（工具回転数、施工速度）範囲を調べた。 2.3 補修部の金属組織、機械的性質試験（再委託先にて実施）
　2.2で得られたすべてのFSW施工部について、X線透過試験を行い、内部欠陥の有無を調べた。図−８に荷重制御方式での内部欠陥の発生状況を示す。（○が無欠陥、△がスタート部欠陥、×がトンネル状欠陥を表す） 　位置制御方式では工具差込量5.2mm以上、荷重制御方式では施工荷重30kN以上とすることで、トンネル状欠陥やスタート部欠陥の発生を抑え、施工できることが分かった。
　FSW施工部断面の金属組織観察を行い、施工深さが5mm以上であることを確認した。また図−９に示すように接合部断面に外観の異なる領域（図中のａ、ｂ）が観察された。いずれもCrが欠乏していた。これら領域ａ、ｂを詳細に分析した結果、内部にCr濃度の高いシグマ相が析出していることを確認した。領域ａ、ｂの分布を見ると、FSW工具の接触面近傍で生成し、施工部奥へと撹拌されていると考えられる¹⁾²⁾。またFSW施工による入熱量に比してシグマ相が析出した領域ａ、ｂも大きくなることが確認された。FSW施工部の引張試験では、施工条件によらず母材で破断し、接合部強度が母材同等以上であると分かった。従ってFSW施工部に析出したシグマ相は強度に有意な影響を与えていないと判断される。 2.4 欠陥（亀裂）補修試験
　SUS316L試験板に深さ5mm、幅0.5mmの人工欠陥を作り、ここにナトリウムを注入して欠陥（亀裂）補修試験を行った。ナトリウムの酸化や飛散を防止するために、グローブボックス（Na中補修試験装置I）をFSW装置に設置し、アルゴンガス雰囲気で試験を行った。試験に使用したNa中補修試験装置IとFSW装置を図−１０に示す。
　施工条件は、2.2および2.3の結果より、荷重制御方式で施工荷重30kN、工具回転数240rpmとした。施工速度20mm/minではナトリウムの影響で発熱不足となったため、7.5mm/minに低速化することで健全な施工結果を得た。図−１１に施工部外観、図−１２に断面金属組織を示す。人工欠陥は完全に補修され、ナトリウムの残留はなかった。

３．今後の展望

　平成19年度は引き続き以下の作業を推進する。特にFSW施工部のシグマ相析出領域についてはナトリウム中での腐食性などを確認する。
　平成20年度はナトリウム中補修試験を行い、200℃のナトリウム液中で無欠陥補修できることを検証する。これによってFSW技術を応用したナトリウム中補修技術を実現するための、FSW施工条件などを検討する。また原子炉内でFSW補修を行なうために必要となる技術課題を検討し、FSW補修装置の概念検討を行う

４．参考文献