１．研究開発の背景とねらい

　鉛ビスマス冷却型高速炉は鉛ビスマスが高沸点(1670℃)であるので冷却材の沸騰によるボイドで正の反応度が加わる可能性が小さいこと、中性子散乱断面積が大きいので平均自由行程が短く炉心からの漏れを少なくできるため中性子遮蔽効果が大きいこと、高速中性子の吸収断面積はナトリウムと同様に小さいこと、核反応生成物に高エネルギーのガンマ線を放出する核種はないことなど核的特性に優れており実績のあるナトリウム冷却型高速炉と同様に優れた炉心性能を持つ。さらにナトリウム−水反応のような激しい反応を生じない化学的不活性であることからより優れた革新的原子力システムとして概念が想定されている。
　しかし構造材料である鉄鋼材料の主要構成元素の鉛ビスマスへの溶解度が大きいため、酸素濃度の適切な制御により構造材料表面に熱力学的に安定な保護皮膜を形成させるなどの防食技術開発とその検査技術開発が鉛ビスマス冷却型高速炉の概念成立を左右する基礎的課題のひとつであり解決が必要である。高クロム濃度のマルテンサイト鋼や酸化物分散強化鋼では薄い酸化皮膜が形成され耐食性皮膜となる見通しが得られつつある。皮膜自身の耐食性という機能評価と同様に皮膜の剥離は腐食の急激な進行を引き起こすので剥離の評価も重要である。皮膜と基板材料からなる材料システムとしての寿命評価あるいは信頼性評価という点から皮膜付着力の検査技術の開発は重要であると考える。
　炉の稼働中と同じ高温下で皮膜の付着力を測定するため本技術開発ではレーザー衝撃法による付着力測定技術を発展させ高温鉛ビスマス中で測定できる試験技術の開発を行い、耐食技術の向上に有用な知見を得て鉛ビスマス冷却型高速炉システムの実現に貢献することをねらいとする。

２．研究開発成果

　構造材料の耐食保護皮膜の健全性・密着性を検査評価するため、鉛ビスマスに接する環境下で、耐食保護皮膜の付着力の評価が行えるレーザー衝撃式の新しい試験技術の開発を以下の4つの項目について進めている。（１）衝撃波による皮膜界面の応力評価、（２）レーザー衝撃試験装置の設計・作製、（３）液体金属中での表面変位速度の測定、（４）液体金属に面する皮膜の付着力の測定及び付着力評価試験技術の検討、以上により本測定技術の有効性を確認する計画である。

（１）衝撃波による皮膜界面の応力評価：衝撃による皮膜の付着強度測定技術はGuptaらにより確立されている（J.Mech.Phys.Solids, 40 (1992)）。概要は図１に示すように、レーザー照射により生じる熱膨張に伴う圧縮の衝撃波が試料表面自由端で反射し引張の応力波として界面に作用し皮膜が剥離することを利用するものである。皮膜界面の応力評価では、液体金属に面する測定試料の試験片の形状と寸法を設定し応力評価を行った。界面に負荷される応力σは式（１）で表される。 ここで、hは皮膜の厚さ、c_fは皮膜の弾性定数、ρは皮膜の密度、V₀は表面変位速度。
レーザー衝撃による表面変位速度はおよそ10nsで数十m/sに達すると想定されるので界面での応力は数百MPaと概算した。着目する鉄鋼材料における保護皮膜であるマグネタイトの付着力について測定可能性を示した。
（２）レーザー衝撃試験装置の設計・作製：本事業のレーザー衝撃試験装置においては衝撃力発生には最大出力1.6JのYAGレーザーを用いることとし、表面変位速度については図２に示す光学系でHe-Neレーザー干渉計を作製し、また圧電素子を用いた測定システムを作製した。レーザー衝撃に伴う測定試料の表面変位速度はレーザー出力条件と共に集束条件、背面保持塗膜の条件に依存することを明らかにした。
（３）液体金属中での表面変位速度の測定：液体金属に面する試験片での測定実験に用いる試験片形状を設定し液体金属用ポット型チャンバー（図３）を作製し、チャンバー内で溶融金属が測定試料に接する条件でのレーザー衝撃が可能な光学系を構築した。

３．今後の展望

　次年度は項目（４）液体金属に面する皮膜の付着力の測定及び付着力評価試験技術の検討を行う。レーザー衝撃による表面変位速度を系統的に測定し鉛ビスマスに接する皮膜の測定が可能な手法として確立させ、耐食技術の向上に有用な知見が得られるように進めたいと考える。
　機能性皮膜（耐食性、耐熱性、絶縁性、耐摩耗性など）とともに利用される構造材料については材料システムの信頼性という観点から皮膜の耐剥離性能が重要であると考えられる。皮膜に接することなく応力を負荷できる特徴的な本手法の適用範囲を広げて行きたいと考える。