１．研究開発の背景とねらい

　本事業では、超臨界圧水型高速炉(SCFR)等の革新的原子炉の炉内構造物の合理的な設計手法の開発に資するため、複数の材料劣化事象が重畳して生じる照射誘起応力腐食割れ（IASCC）、寸法不安定性、塑性不安定破壊を解析対象として、劣化事象の時間依存性と複合作用に着目した新たな材料損傷評価法を開発し、発生応力の供用期間中の複雑な変化を取り扱える新しい構造設計技術の概念を確立することを目的とした。
　具体的には、軽水炉でのIASCCによる損傷事例の分析から、損傷の発生には照射下での材料劣化と付加応力の程度が重要であることが分かり、これらの時間依存性と複合作用に着目した材料損傷評価法を開発することをねらいとした。図１に示すように、照射硬化、照射誘起偏析、スエリングの個々の材料劣化挙動は、照射量（原子炉の運転時間）の増加と共に時間差を持って増加し、溶接残留応力は照射量の増加と共に減少する事が考えられ、さらに個々の材料劣化挙動は残留応力の影響を受けることが考えられる。この様な場合、材料損傷の起こり易さが個別の材料劣化に影響されると考える現在の設計方法では、損傷の起こり易さは図１下図の実線のように、例えば照射硬化によって決まることとなり、材料の使用可能な寿命が短くなる。しかし、現実には応力レベルと材料劣化の程度の複合的な関係で損傷の起こり易さが決まり、この場合には下図の破線の様に複雑な照射量依存性を持つことが考えられる。本研究では、各材料劣化挙動の照射温度及び残留応力依存性を定量的にモデル化し、構造物におけるマクロな材料損傷の発生確率を原子炉の供用期間中に渡ってシミュレーションすることで、より現実の挙動に近い材料損傷評価法を可能とする新しい評価手法及び構造設計技術の概念を確立することを目指した。

２．研究開発成果

(1) 複合作用検討のための照射試験法の開発
　材料劣化挙動に及ぼす残留応力の影響を調べるため、変形拘束下で照射が行えるジグを作製し、イオン照射による加速照射試験を行った。この治具で、-2,0,+2及び+7%ひずみを曲げ変形により拘束することで、軽水炉シュラウドで観察された残留応力レベルを与えられることを確認した。イオン照射による照射損傷領域は図2に示す様に表面極近傍の非常に限られた領域に存在するため、照射後に極表面の機械的特性及び腐食特性を、ナノインデンターによる硬さ試験、X線残留応力測定、電気化学的腐食試験、透過電子顕微鏡によるミクロ組織観察、3次元アトムプローブによる照射誘起偏析測定、原子間力顕微鏡での表面段差測定によるスエリング測定、高温水中腐食試験等により定量評価した。供試材は、SUS316鋼及びSUS316L鋼、そして耐食性及び耐照射硬化特性を考慮しSUS316LにAlを添加した合金とし、12MeVのNi³⁺イオンを弾き出し損傷量の代表値が1,6,12,45dpaと成るよう、330、400及び550℃の照射温度で照射した。
(2) 照射の複合作用が材料劣化挙動に及ぼす影響の定量的モデルの開発
　イオン照射材の機械的特性及び腐食特性を調べた結果、特にSCFRの構造材料として考えられているSUS316Lにおいて、照射の複合作用による効果が明瞭に観察された。イオン照射材の試験結果を、本事業で収集した中性子照射材の文献データベースと比較し、モデル化した例を図3〜図5に示す。これらの結果から、照射後の降伏応力については式(1)及び式(2)でモデル化できた。

　腐食特性については、式(3)に示す形で照射量依存性と残留応力の影響をモデル化した。

　また、残留応力の照射誘起応力緩和挙動に関しては、式(4)に示す形でモデル化した。

　これらの式において、a,b,cは係数であり、nは残留応力の影響を示すパラメータ、σ_x(ε)は初期ひずみを考慮した初期応力、C_Cr^satは飽和粒界Cr濃度、dpaは弾き出し損傷量である。 (3) 新しい材料評価法の開発のための材料損傷挙動シミュレーションモデルの開発
　変形拘束条件の異なる2種類の軽水炉シュラウドと中性子計測管を模した構造物を対象とし、上記の「材料劣化モデル」による劣化挙動を逐次評価しながら、有限要素法（FEM計算）に依り局所変形挙動をシミュレーションするコードを作製した。このコードでは、溶接部近傍に溶接残留応力分布及び微小欠陥を与え、且つ原子炉供用期間中に生じる降伏応力の増加、粒界Cr濃度の低下、スエリングの発生及び照射誘起応力緩和の挙動を考慮してそれらの複合作用による材料劣化挙動を計算できる。本コードの流れを図6に示す。これにより、IASCC、塑性不安定性破壊、寸法不安定による破壊条件を各々設定することにより、微小欠陥部に破壊が起こるかどうかを、「照射による材料特性変化」に残留応力の影響を考慮しなかった場合（これまでの評価法）と考慮した場合（新しい材料損傷評価法）について、比較検討することが可能となる

３．今後の展望

　開発したコード内に組み込んだ材料劣化モデルのフィッティングパラメータを変化させてシミュレーション計算を行い、照射の複合作用による材料損傷挙動の変化の様子を明らかにし、開発した新しい材料損傷評価法と構造設計技術概念の妥当性を検討する。