原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
モデル・データ・検査融合に基づく炉内材料劣化に関する研究
(研究代表者)沖田泰良 大学院工学研究科 准教授
(再委託先)原子燃料工業株式会社
１．研究開発の背景とねらい
魅力的な革新炉を実現させるためには、照射下における炉内構造材料の安全性維持並びに信頼性の確保は、達成すべき重要な課題である[1]。一方で、革新炉における炉内構造材料は、実証的データの存在しない照射条件下で、実際に材料を供しつつ併せて健全性評価を行っていく必要がある。加えて、現段階では炉内構造材料に供される照射環境が定量的に定まっていないことも革新炉において考慮すべき事項である。上記背景のもと、フェライト系ステンレス鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼を対象として、材料挙動を評価する要素技術開発とこれらの融合により、幅広い照射条件に対応した健全性評価体系の構築に資することが本研究の目的である。フェライト系ステンレス鋼は、照射硬化に伴う脆化が炉内構造材料の健全性を評価する上で最も重要な因子であり[2]、この事象を評価するため、照射硬化予測モデルと照射硬化データモデルの構築を行い、2つの技術を融合して、評価手法の高度化を行う。また、オーステナイト系ステンレス鋼においては、軽水炉条件では問題とならなかったスエリングによる寸法不安定性が革新炉においては寿命決定因子となりうるため[3]、この事象を評価する目的で、照射下ミクロ組織発達予測モデル、照射下ミクロ組織データモデル、スエリング非破壊検査の3つの技術構築、開発を行い、更にこれらを融合し、評価手法の高度化を行う。
２．研究開発成果
図1 MD法により再現された刃状転位周辺でのSIAクラスタ位置の時間変化(転位とクラスターのバーガースベクトルが平行である場合)
x は位置座標, h は転位とSIAクラスター中心軸の間の距離を示す。なお、改良弾性論による最適点はx/h 〜0.5である。
図2 中性子照射を受けた高純度Feの降伏応力増加
図3 直流4端子法による電気抵抗測定装置
電気抵抗率とスエリング率の線形相関を利用し、非破壊的にスエリングを測定することが可能である.
（１）フェライト系ステンレス鋼の照射硬化に関する研究開発
本研究開発では、弾性論に基づいた転位論に、自己格子間原子(SIA)型転位ループ(SIAクラスター)の回転角を変数に取り入れた改良型線形弾性論[4]を体心立方格子(BCC)金属に適用すると同時に、分子動力学(MD)コードを作成しそれを用いて計算する(図1)ことで、転位とSIAクラスターに関して、長距離相互作用から短距離相互作用まで整合性を保ちながら評価するマルチスケールモデル構築に成功した。また、BCC構造のFeを対象として、転位とSIAクラスターの相互作用に関して網羅的な計算を行った。更に、高純度Feの中性子照射下で低照射量からの急激な降伏応力の増加(図2)は、材料設計とシステム設計上、解決すべき課題であることが照射硬化データモデル構築により解明された。これは、透過型電子顕微鏡(TEM)分解能以下の微小なSIAクラスターがらせん転位と長距離相互作用により引きつけられ、らせん転位に固着することで応力負荷時に大きな変形抵抗となるためである。この機構解明は、本事業で開発した計算コードを用いて得られた世界で初めての大きな成果であり、照射硬化予測に関して大きなブレイクスルーをもたらすことができた。この機構に基づくことで、今後の材料設計・材料補修に対する指針、新材料開発の方向性に対して、貢献すること可能である。具体的には、らせん転位と照射欠陥の相互作用を如何にして妨げるか等、らせん転位の挙動を検討することによって、照射硬化を抑制しうる魅力的な構造材料を提供できると考えられる。また、本研究開発によって、今後の材料試験のあり方についても方向性を与えることができた。これまで、ナノ・ミクロスケールにおける照射下挙動とマクロスケールの現象である機械的特性変化を結びつけるため、TEMによりミクロ組織情報を得、同等試料の機械的特性変化試験を行い、それらを経験則に従って結びつける研究が行われてきた。しかし、TEM観察可能な照射欠陥とTEM空間分解能以下の照射欠陥では、らせん転位との相互作用が全く異なり、微小な欠陥が照射硬化の主たる要因となりうることが本研究開発により解明された。このため、フェライト系ステンレス鋼においては、TEM観察可能な照射欠陥と機械的特性を従来型の経験則で結びつける研究は、物理的に課題があることがわかった。フェライト系ステンレス鋼を含むBCC金属では、らせん転位に引き寄せられ、固着した照射欠陥の定量評価を行うことで、照射硬化の解析が可能であることが本研究開発の総合的結果として明らかとなった。今後は、不純物や添加元素を含む実用合金の照射硬化をモデルによってどのように定量評価していくかが課題である。
（２）オーステナイト系ステンレス鋼のスエリングに関する研究開発
本研究開発では、オーステナイト系ステンレス鋼を対象として、微小試験片を用いた電気抵抗測定による試験、ブロック材を用いた電気抵抗測定・超音波測定による試験により、スエリング非破壊検査技術を確立した(図3)。また、測定に影響を及ぼす因子を明確化させ、測定誤差を低減させることに成功した。更に、オーステナイト系ステンレス鋼のスエリングに伴う物性値変化をTEM観察によるミクロ組織と対応させることによって、広範囲におけるスエリングの非破壊検査技術の高度化を行うことができた。特に、析出物など第二相が存在する場合の検討を詳細に行い、本研究開発で開発した技術は、析出物密度が高い照射試料に対して有効であることがわかった。これらの結果、微小試験片で得られる局所領域の劣化測定とブロック材で得られる広範囲の劣化測定を相互に補完させることによって、合理的かつ信頼性の高い非破壊検査技術となることがわかった。また、従来のモデルでは取り入れることが困難であったボイド形成と成長過程の連続性を保った照射下ミクロ組織発達の予測モデルを構築し、照射下ミクロ組織データモデルと比較することにより、照射速度の影響等を再現することができた。
ボイド形成やそれに伴うスエリングは、未照射材の熱処理や僅かな照射条件の相違等により影響を受ける[3]。今後は、添加元素、不純物元素の影響も取り入れて、非破壊検査で測定されたスエリングが更なる照射でどのように進行してゆくか、照射下ミクロ組織データモデルと照射下ミクロ組織発達予測モデルで明らかにしていく必要がある。
３．今後の展望
本事業を通して得た知見、学術的な取り組みは、今後日本が革新炉の時代においても世界を代表する原子力先進国であり続けるために、今から必要な技術開発の方向性を示すものであり、その研究開発の方針は、魅力的な革新炉の実現にとって、不可欠なものである。また、本研究開発は、原子力プラントシステムのうち、革新炉のみを対象とした研究ではあったが、材料挙動予測モデル構築.データモデル構築.検査技術開発の3つの技術融合から構造材料の劣化を把握する研究手法は、他の原子力プラントシステムや原子力産業以外の巨大人工物構造材の設計にも適用できると考えられ、これは、一つの学術体系になり得る。
４．参考文献
[1] 関村直人, 沖田泰良,日本原子力学会誌 Vol. 48, No. 7, pp.497-505 (2006)
[2] R.L. Klueh, J.P. Shingkedecker, R.W. Swindeman, D.T. Hoelzer, J. Nucl. Mater. 341 (2005) 103.
[3] F.A. Garner, Irradiation Performance of Cladding and Structural Steels in Liquid Metal Reactors, Material Science and Technology, Vol.10A, edited by R.W. Cahn, P. Haasen, E.J. Kramer, chapter 6 (VCH Publisher, Weinheim)
[4] W.G. Wolfer, T. Okitam D.M. Barnett, Phys. Rev. Lett. Vol.92 No.8 (2004) 085507.
