１．研究開発の背景とねらい

　本事業では、鉛ビスマス冷却高速炉（LBE-FR; Lead-Bismuth Eutectic cooled Fast Reactor）の実用化において大きな課題である構造部材の液体金属腐食を防ぐために、「ナノ・マイクロ複合微粒子(NMCP; Nano- and Micro- Composite Particles)防食被覆法」を開発する。更に、NMCP防食被覆の「その場補修」を可能とする「ナノ粒子分散システム」に関する基礎的技術開発を行う。
　冷却材に液相の鉛ビスマス共晶合金（LBE）を採用するLBE-FRは、LBEの優れた核的特性に加えて、沸点が高いことや水や空気との反応性が極めて低いことによる優れた安全性が期待できることから、次世代原子力システムの候補の一つとして取り上げられている。LBE-FRを実現するためには、LBEに接触する炉心材料や構造材料の液体金属腐食や液体金属脆化を防ぐための材料開発及びシステム開発が極めて重要な研究課題である。これまでに、東工大グループ等によってSUS316Lに代表されるオーステナイト系ステンレス鋼とLBEとの共存性の検討が行われているが、主要合金元素であるニッケルがLBEに対して高い溶解度を持つため、そのままでは適用が困難であることが明らかになっており、新材料や防食技術の開発が期待されている^[1]。
　LBE-FRにおける材料腐食問題を克服する方策としてこれまでに検討されてきた技術を分類すると、①高耐食性材料の開発、②腐食環境条件を緩和するシステム開発、③防食被覆の開発、の3通りに分かれるがそれぞれに課題も多く^[2-6]、また被覆の補修まで考慮した技術開発は見当たらない。このように、従来の研究開発状況から、LBE腐食環境に対するAl₂O₃を基本とした防食被覆とその補修法の開発は、LBE-FRの実現に向けて、極めて有益であると判断される。

２．研究開発成果

　3ヶ年計画の1年目である平成18年度においては、研究開発項目①ナノ・マイクロ複合微粒子防食被覆法の開発と、②鉛ビスマスに対する耐食性評価を行った。
　①においては、本研究で実施しているナノ･マイクロ複合微粒子の形成に用いる為に、ポットミルや遊星型ボールミルを用いた粒子の複合化試験を実施し、公称150μmのAl₂O₃を出発粒子として遊星型ボールミルによる湿式処理を施すことにより、数μmの粒子と数10〜数100nmの粒子が混在している複合微粒子の形成を確認することができた。これらの微粒子をナノシーディング剤として用いて、Ni基合金(インコネル600)に対してNMCP被覆形成条件の探索を行った結果、通常のゾルゲル法では1000℃以上の焼結温度が必要であるαAl₂O₃を、400〜450℃という極めて低温において被覆を形成させることに成功した（図1、図2）。既に平成19年度中において、NMCP被覆を施した材料に対するLBE腐食試験を開始しており、更なるNMCP被覆形成条件の探索の結果として、良好な耐食性が確認されている。
　②においては、LBE腐食試験を行うために回転型腐食試験機の開発を行った。本試験機は、LBE収納容器及び加熱機器（〜700℃程度）、試料回転用モーター駆動部（回転電極装置）の要素から構成されている（図3）。アルゴン雰囲気のグローブボックス内に設置した本試験機を用いて、Ni基合金に対してLBE腐食の予備試験（650℃、100h）を行ったところ、図4に示すように試験片の溶解・減肉を確認できたため、当試験機の有効性を確認した。

３．今後の展望

　LBEに対する耐食性向上のために、より緻密で厚いNMCP被覆を施す為の更なる条件探索を引き続き実施している。また、被覆のその場補修を可能とするために、LBE中にAl粒子を分散させることによって、基板材料上にAl₂O₃を析出させるための条件探索を開始した。

４．参考文献

[1] M. Kondo et al., J. Nucl. Sci & Tech., Vol. 43 (2006) 107.
[2] A. Kimura, R. Kasada, et al., Proc. of ICAPP'06, Reno, NV, USA, 2006.
[3] M. Takahashi et al., Proc. of ICAPP’04, Pittsburgh, PA, USA, 2004.
[4] Y. Kurata et al., J. Nucl. Mater. 335 (2004) 501.
[5] Ph. Deloffre et al., J. Nucl. Mater. 335 (2004) 180.
[6] G. Müller et al., J. Nucl. Mater. 335 (2004) 163.