長寿命高速炉プラント実現に向けた構造材料開発の現状
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カテゴリ: 第2回
1. 緒言
- 先進的で複雑巨大、かつ非常に厳しく安全性が問 われるプラントにおける健全性確保の基盤は適用 される材料にあると言ってよい。中でも、事故時に 影響の拡大を抑える「防壁」となる構造材料の選択 は重要である。高速増殖炉(以下 FBR)はそうした人 工物の代表であるが、現在なお開発途上にあること から、こうしたプラントにはあまり類例がない設計 と並行した専用材料開発が進められている。 - 安全性が最優先に求められる原子力プラントに 対しては、従来、保守的な思想から、健全性の根幹 となる材料選択には工業的実績(他分野を含めた商 用実績)のある材料が対象とされてきた。しかし、 先進的なプラントの設計、建設という観点からは、 その特徴が最大限活かされる、あるいは考慮された プラント実現を目指すのが自然であり、材料選択も その観点から行なわれるべきであるとの考えも一 一方にある。プラント健全性確保の基盤となる材料には、供用中に発生するリスクに対して少なくとも考 慮すべき3つの不確定性がある[1]。1つは製鋼・ 製造過程における種々の条件の差や製品管理手法 の違い等に依拠する商用材料に認められる特性の ばらつきであり(材料特性の不確定性)、2つめは使 用中の環境、想定負荷や雰囲気および温度等の予想できない変動等(使用環境の不確定性)である。さら に、設計時に適用する強度評価手法や寿命予測解析 が有する精度が3つめの不確定要因(評価の不確定 性)となる。従来の材料選択思想が材料特性の持つ 不確定性を極力抑制しようとするものだとすれば、 後者は使用環境における不確定性の影響緩和を主 眼とした思想と言える。一方、2001 年から有力候補プラントの選定段階 (Phase II)に入った、核燃料サイクル開発機構(以下 サイクル機構)および電力ならびに国内プラントメ ーカなどが進めている「高速増殖炉サイクルの実用 化戦略調査研究」(以下 FS)[2,3]では、FBR の安全 性の向上等と合わせて経済的競争力を高める努力 がなされている。そのため多くの革新技術や概念の 導入が検討されているが、最も効果的な概念として 60年を目標としたプラントの長寿命化が注目さ れている。現行の FBR を含む原子力プラントの設 計基準は、単純化した理解では、統計評価に耐えう る有限な量の材料特性データベースを基盤として 成立している。このデータベースは、対象構造材料 に関する、室温から適用温度を含む温度範囲につい て、引張、疲労、クリープ等の基本的な材料試験デ ータによって構成されているが、例えば、時間依存 損傷であるクリープについては最長10万時間(試 験期間約11年間に相当)程度のデータが含まれて いるのが普通である。そうした評価基盤である材料
データの試験時間を大きく超えたプラント長寿命 化の要求は、時間外挿が必然的に内包する評価の不 確定性の増大(精度の悪化)をもたらす。 * ここでは、以上のような状況を背景に、対象を長 寿命ナトリウム(Na)冷却型 FBR(LLSFR)として、使 用環境の特徴を材料仕様に極力反映することで環 境の不確定性がもたらす影響の緩和を図り、さらに 寿命評価等の不確定性を抑える目的から高温長時 間、製造時の組織が安定に維持される FBR 用構造 材料の開発を目指した研究開発の現状について報 告する。長寿命高速增殖炉用構造材料開発 の基本思想一般的な構造材料に共通する、1) 溶接施工性や 2) 費用対効果が良好なことに加えて、FBR プラン トにおけるリスク軽減のために構造材料開発に向 けた特徴的かつ枢要な要求は2つある。これまでも、 使用環境および評価の不確定性、ならびに材料特性 のばらつきがリスク顕在化に直接結びつくことを 抑制するために、適切な裕度を含む高温構造設計基 準や付随する材料強度基準が策定されているが、以 下の要求は陽にはそうした基準類に現れない、材料 の本質にリスク軽減を求めるものである。 (1) 耐熱過渡性、多くの FBR 機器、構造物に加わる主要な負荷は、 プラントの起動、停止における変動も含め熱の伝わ り易い Na を冷却材としていることから、温度変動 に起因する過渡熱応力となる。そのため、材料が持 つ個々の高温材料特性の優劣では分かり難い、熱応 力発生抑制能力とクリープ強度とのバランスの良 好さが要求される。この特性(耐熱過渡性)は以下のStress Controlled7. Inner Pressure Load i・Dead Weight -----------High Yield Ratio & i High Strengthr--Stress! High Yield Ratio & i i High Strength■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■!Low Yield Ratio & High DuctilityLow Yield Ratio & High DuctilityCreep Rupture TimeStrainStrain Controlled Load? Load caused by Thermal Transient 図1 FBR 用構造材料に求められる基本的特性指標で評価できる。10万時間クリープ強度 比高温強度(耐熱過渡性) =” 想定温度変動により発生する応力この指標により、単純な高温強度のみの比較では この指標により、単純な高温強度のみの比較では 確かめられない、FBR 用構造材料に必要な熱的特 性(線膨張係数)、縦弾性係数、およびクリープ強度 特性の均衡程度を把握する。 (2) 変位(ひずみ)制御型負荷に対する特性同様にブラントにおける主たる負荷形態からの 要求であるが、FBR 構造材料では変位(ひずみ)制御 負荷が主要となることから、材料開発時、設計時に 弾塑性関係と高温強度特性のバランス、特に延性の 確保が求められる。これは、一般に、高温強度に優 る鉄鋼材料は延性が不足することが多く、反対に高 延性を志向した材料は多くの場合ある程度強度が 抑制されることになるからである。図1に負荷形態 と材料に求められる適切な特性との関係を模式的 に示す。図に示したように、応力制御負荷(一点鎖」 線)には高強度材が有効であるが、ひずみ制御負荷 (点線)が支配的である場合、高強度材料には大きな 応力が発生するため、結果として高いクリープ強度 を十分に活かせないことがある。また、わずかなひ ずみのばらつきが発生応力の差を生むことから、寿 命予測に大きく影響する可能性がある。一方、強度 的には劣る延性志向材の場合、変動ひずみに因る発 生応力は高強度志向材に比して小さく、結果的に長 い寿命を得ることが可能となる。図は単純化した説 明であることから、全ての鉄鋼材料を説明できるも のではないが、プラントにおける支配的負荷形態を 考慮した材料設計、選択により、材料の特長をより 有効に発揮させることができること、さらに、供- 370 -用中の損傷進行予測の不確定幅を抑制できる可能 性があることを示している。さらに LLSFR については、評価の不確定性抑制 の観点から以下の2特性が追加される。 (3) 長時間時効後の延性、靱性の確保延性、靱性の確保は、鉄鋼材料一般に求められる ことであり FBR 構造材料に限ったものでないが、 高温長時間経過後にも設計要求を満たす両特性の 確保は、FBR プラントの安全論理基盤となる破断 前漏えい(LBB)性を寿命中維持するうえから重要 となる。 (4) 製造時組織(相)長時間安定性高合金鋼はオーステナイトやマルテンサイトと いった母相を有しているほか、強度特性などの改善 を目的に、複数の元素が添加されている。しかし、 長時間高温環境下で用いられる材料では、固溶強化 のために加えられた元素が析出したり、析出強化を 狙った微細な炭、窒化物が肥大化する他、主要な元 素の移動や炭化物形成などにより、初期の相が維持 できなくなり、結果的に材料特性が大きく変わるこ表1 高速増殖炉用高クロム鋼開発目標一覧候補-1(W中添加)候補-2(W無添加)O未試験評個項目「重要性SUS41013 短時間強度 1→1.2.Mod.9Cr-IMo鋼 クリープ強度 >SUS304550°C、10h以上城 クリーフ破断延性Mod. 9Cr-1 Mofr 疲労強度(高温)Mod. 9Cr-I MOFL. クリープ疲労強度Mod.9Cr-1Mo鋼 破壊力学特性(1)高温破壊靭性 04 Mod. 9Cr-1 Mofu(2)熱時効後の高温破壊靭性 - Mod. 9Cr-1 Mofa 切欠き感受性 切欠き強化であること 冷却材との共存性 過渡熱負荷低?Mod. 9Cr-I Mof 10 容接施工法確立の見通し溶接性 告母材高温強度 【製作性(厚肉板、薄肉伝熱管の間の材料特性のばらつき) (1)短時間強度 12 = Mod. 9Cr-I Mof (2)長時間強度＝= Mod. 9Cr-I Mof 113|製造費用の抑制14 高価元素の不使用 11:高温長時間における組織安定性||x| 4|0||0|| ||| x_o_o_o_o||4|4|o|0| || ||c|c|||試驗中ooon当面評価せず※評価◎: 十分目標値を達成、○: 目標値を達成、△:取得データの一部は目標値を達成、X:未達成とになる。そうした変化は、材料特性データベース に基づき開発された強度評価手法や寿命予測手法 の外挿信頼性を損なわせることになるため、可能限 り安定に組織が保たれ、材料特性が劇的に変化しな い材料が望まれる。そのため、実際の材料開発では 加速熱時効後の仔細な組織分析、析出物解析を実施 するとともに、材料試験から取得可能な特性の中で 組織変化に比較的敏感に影響を受ける延性(破断伸 び)に基づく指標の開発を試みている。3. 開発目標の設定- LLFSR 用高クロム鋼開発に着手するに当たり、 プラント設計作業および構造健全性評価技術の高 度化と並行して構造材料開発が行なわれることか ら、前節で述べた基本的な要求事項のほかに、実際 にプラントを設計、構造健全性を評価する側からの」 要求を調査したうえで詳細な開発目標を定めてい る。設計側、構造評価側との緊密な連携は、材料開 発目標をより具体化できるばかりではなく、並行し371て進められる設計評価や改良される構造健全性評 価手法に必要な材料情報を提供し、材料開発途中に おいても対象材料を適用した設計評価を可能とし、 得られた結果や評価結果に基づく新たな要求を直 接材料開発に反映できる長所がある。定めた評価項 目を表1に示す。表中の評価項目欄の下段は開発目 標値を示している。また、FBR 構造材料として特 に重要である項目については、既述の基本思想に基 づき重要性の欄に・で示している。なお、選定評価 項目のうち、費用に関する内容、製造費用の抑制お よび高価な元素使用については、材料開発における 技術課題が解決し、商用材料としての見通しが得ら れた時点で評価することとした。4. 高速増殖炉用高クロム鋼開発現状- 前節までに紹介した基本的な開発思想を踏まえ、 かつ表1に示した各開発項目の目標値達成に向け た研究開発を実施している。ここでは、その現状を 報告する。4.1 FBR 用12Cr 銅の開発現状開発に当たり、既存規格化鋼種のなかで最も目標 に近い材料として、火力プラントで実績がある火 SUS410J3 を選択している。これは、豊富なデータ を開発材の比較参照とするだけではなく、材料の組 成が近く同組織(この場合は焼き戻しマルテンサイ ト相)の鉄鋼材料の特性は短時間特性間の比較評価 に基づき類推できること[4]を考慮したものである。 これにより、開発途中においても長時間域特性を一 定の信頼性を持って予測することが可能となり、か つ開発材料の特性が持つばらつきの下限を同鋼の 蓄積データに基づき示すことができる。すなわち、 データのばらつきが大きい開発段階においても保 守側のデータを適用する制限はあるものの特性の 不確定性に基づくリスク顕在化を抑制できる。さら に、開発項目の目標値に対する火 SUS410J3 鋼の特表2 既存 12Cr 鋼および開発材料の化学組成 (wt%)ISUS410J310.07-0.141 「W中添加10.10-0.14 W無添加10.10-0.16MnNi Cr Mo T W T V T NbTNT Cu <0.711 0 .5110.5-12.510.25-0.65 1.5-2.51 0.15-0.3 0.04-0.11 0.04-0.111_0.3-1.71 ≦0.7 0.5-0.8 9.5-11.0 1.0-1.300.30-0.40|0.10-0.30|0.04-0.08|0.02-0.05| <0.10 ≦1. 0 ≦ 1.0 10.0-11.01.30-1.60 - 0.12-0.220.03-0.08 0.03-0.07 0.15性を評価することにより、重点的な開発項目を明確 に把握できる。表1の同鋼の評価欄に結果(、× 等)を示した。この結果に基づき、1クリープ破断 延性、2破壊力学特性および3高温長時間における 組織安定性の改善が材料開発の重点項目であるこ とが分かる。表2に同鋼の化学組成を示す。重点開 発項目の改善に最も大きな効果を持つ要因として、 主要な構成元素の働き、鋼中の挙動に注目した評価 を行なっている。評価に基づき W および Mo の組 成を以下のモリブデン当量式で最大組成を 1.5wt% とした改良仕様材を製作した。るこ票Mo当量 = [Mo] + 0.5[W],[] : 化学組成(wt%)特性改善試作材の仕様を表2に合わせて示した。 試作材は、両元素の効能が明らかとなるように、W を火 SUS410J3 の1/3程度添加した材料(以下W 中添加材)および W を全く添加しない材料(以下 w 無添加材)とした。3鋼種の 600°C、6,000 時間時 効前後の衝撃特性を図2に示す。図2(1)は時効前 の試験結果であるが、これらの3鋼種の間に大きな 差は認められない。一方、図2(2)に示した時効後 の試験結果では多量の W を含む火 SUS410J3 の低 下が他の2鋼種に比して大きくなっていることが 分かる。図3には時効後のそれぞれの材料組織の SEM 観察結果を示した。写真に白く見える析出物 は組織分析の結果 Laves 相であることが分かって いる。Laves の時効後の析出様相は W 組成が高い ほど顕著であり、この観察結果は別途実施した化学 分析と整合している[5]。これらの試験および分析 結果から、時効後の靭性、延性確保には W と Mo 組成比の最適化が有効であるとの知見を得ている。 並行して進めている析出強化元素の最適化も含め [6]、こうした添加元素の効能を供用中保つことが できれば、材料が初期に持つ特性維持、あるいは緩 やかな特性の経時変化が期待でき、想定プラント寿 372命に比して短時間のデータベースに基づいても設 計評価や寿命評価の外挿信頼性を確保できる(評価 の不確定性の抑制)。 特性改善を狙った試作材の開発目標に対する評価 を表1に示した。今後、破壊靭性等一部の特性改善 を図る必要は残るものの現状でほぼ開発目標を達 成できる見通しをえていることが分かる。図4に開発材の熱過渡耐性、比高温強度を他の既 存有力構造材料と比較して示した。現時点での実力 によれば、高温環境専用に開発されたオーステナイ ト鋼や同種の改良 9Cr 鋼より優る特性、熱的特性 と高温強度のバランスに優れていることが分かる。 これは供用中の支配的な負荷となる熱応力の発生 を抑制する機能に優れることを示しており、材料に 基づく不確定性の1つである使用環境の不確定性 の影響を他鋼種より緩和できる能力が相対的に高 いことも表している。 4.2 開発材料導入による効果評価 - 開発途中ではあるが、FBR 用 12Cr 鋼を現在進め ている FS の実用化高速炉へ適用した結果を図5に 示した。設計によれば、SUS304 を1次系に適用し ている高速増殖原型炉もんじゅに比べ、大幅な配管 短縮が実現でき、試算では、前者が高所水平引回し などにより39m必要であったのに対し、熱過渡耐 性に優れる 12Cr鋼では12mに短縮できる見通し となっている。また、同様に熱膨張対策のために設 けられたエルボの数も前者では 1 ループ当たり9 箇所あったものが、1箇所まで軽減できる設計とな っている。こうした構造の簡略化は単なる物量削減 のみに止まらず、冷却材流況と構造物との連成を取 り扱う健全性評価や長時間稼動において重要とな る溶接箇所の軽減をもたらすことから材料に基づ くリスク軽減を実現するものとして評価できる。5. 結言開発途中にある先進プラントを対象とした、構造 材料開発の現状をまとめた。対象プラントにおける」 構造材料への要求が明確であることに着目して、本 来材料が有する不確定性から発現するリスクの軽 減を目的とした材料開発を試みている。現状で得た 知見は以下のようにまとめられる。OD OOD >Abstet EnergyAbsorte Energy (J)OP122 Amic-W Content OW-FreeOP122 Amid-W Content DW-Free10日。-100 -50050 100 150Temperature (°C)200250-100 -500, 50.1000~150200250(1) 時効前12(2) 時効(600°C×6,000h)後図2 高クロム鋼の時効前後における衝撃特性の変化高クロム鋼の時効前後における衝撃特性の変化図2はい、(1) SUS41013 11 (2) W 中添加材 (3) W 無添加材図3時効後 12Cr 鋼の SEM 組織観察結果-- 12 Cr Steel ーコー316FR: Structural Material for Future FBR]Mod.9 Cr-1 Mo: for SG of DFR T-type304: Structural Material of 'MONJU““(0.001=3-- 12Cr Steel ーコー316FR: Structural Material for Future FBR]ムーMod.9Cr-1Mo: for SG of DFR T-type304: Structural Material of 'MONJU““Equivalent High Temperature Material Strength (10°hr Creep Strength/Thermal Stress at A T=100°C).????????4005001600700Tanarative conEquivalent High Temperaturi (10 hr Creep Strength/The4005006001 700Temperature (°C) 図4 主要な高温構造材料の熱過渡耐性の比較- 373 -(1) 材料に基づく不確定性を、材料特性のばらっき、使用環境の不確定性および評価の精度に 区分し、材料開発側からの軽減を試みた。 (2) 対象プラントの支配的な負荷形態に対する耐性を適切に評価できる指標を設定することや」 負荷を生じる過渡事象に鈍感な材料設計を行 なうことで、負荷の発生軽減を実現するばか りではなく、評価を左右する環境条件の変動による影響を抑制することが可能となる。 (3) 限定した観察結果ではあるが、高クロム鋼の主要な構成元素を最適化することで長時間熱 時効後も安定な材料組織を保っ材料開発の見 通しを得た。そうした材料の実現により、プ ラント寿命より短時間のデータに基づく寿命 評価法や設計手法であっても、その外挿信頼性を確保できることになる。 (4) 材料特性のばらつきが大きくなる開発途中においても、同じ組織を有する類似仕様の既存 材料を参照することで、保守側に偏るものの 評価結果への材料特性のばらつき(不確定)の影響を軽減できる。 (5) 試作段階ではあるが、FBR 用 12Cr 鋼を適用した場合、既存オーステナイト系耐熱鋼を適 用した原型炉と比較して、大幅な物量軽減、 構造簡素が実現できる見通しを得た。謝辞 本報告内容におけるモリブデン、タングステンの最 適組成検討を中心とする評価作業は、検討に供した 試験データも含め、経済産業省からの受託研究によ って行なわれた。参考文献[1] 辻禎之、“材料リスク(材料と社会)に関する調査”、(社)未踏科学技術協会、材料・システム安全研究会講演会、東工大、8月(2004) [2] 特集 高速増殖炉サイクル実用化戦略調査研究フェーズ: 中間取りまとめ““、サイクル機構技 報、No.24 別冊(2004)Sラーはweation図5 12Cr 鋼を1次系構造材に適用した LLSFR概念[2][3][3] Y.Sakamoto, S.Kotake, and et al., ““PROMISINGFAST REACTOR SYSTEMS IN THE FEASIBILITY STUDY ON COMMERSIALIZED FR CYCLE SYSTEMS,““ ICONE 13-50613,Beijing, May(2005). [4] 青砥紀身、和田雄作、「既存鋼種とのアナロジイによる新規開発材料の高温材料特性評価手 法」、日本機会学会論文集 第 523 号A編(1990)17-22. [5] T.WAKAI, K.AOTO, M.SUKEKAWA, S.DATE,K.INOUE, ““The Present Status of Development of High Chromium Steel for FBR““, Proc.30th MPAseminar(2004) 28-1 ~28-14. [6] T.ONIZAWA, T.WAKAI, M.ANDO andK.AOTO, ““Effect of V and Nb contents on mechanical properties of high Cr steel”, Proc.Creep and Frac. in High Temp. Comp.-Design & Life Assess(2005), to be appeared.[6]374“ “長寿命高速炉プラント実現に向けた構造材料開発の現状“ “青低 紀身,Kazumi AOTO,若井 隆純,祐川 正之,伊達 新吾,Shingo DATE,井上 和彦,Kazuhiko INOUE
- 先進的で複雑巨大、かつ非常に厳しく安全性が問 われるプラントにおける健全性確保の基盤は適用 される材料にあると言ってよい。中でも、事故時に 影響の拡大を抑える「防壁」となる構造材料の選択 は重要である。高速増殖炉(以下 FBR)はそうした人 工物の代表であるが、現在なお開発途上にあること から、こうしたプラントにはあまり類例がない設計 と並行した専用材料開発が進められている。 - 安全性が最優先に求められる原子力プラントに 対しては、従来、保守的な思想から、健全性の根幹 となる材料選択には工業的実績(他分野を含めた商 用実績)のある材料が対象とされてきた。しかし、 先進的なプラントの設計、建設という観点からは、 その特徴が最大限活かされる、あるいは考慮された プラント実現を目指すのが自然であり、材料選択も その観点から行なわれるべきであるとの考えも一 一方にある。プラント健全性確保の基盤となる材料には、供用中に発生するリスクに対して少なくとも考 慮すべき3つの不確定性がある[1]。1つは製鋼・ 製造過程における種々の条件の差や製品管理手法 の違い等に依拠する商用材料に認められる特性の ばらつきであり(材料特性の不確定性)、2つめは使 用中の環境、想定負荷や雰囲気および温度等の予想できない変動等(使用環境の不確定性)である。さら に、設計時に適用する強度評価手法や寿命予測解析 が有する精度が3つめの不確定要因(評価の不確定 性)となる。従来の材料選択思想が材料特性の持つ 不確定性を極力抑制しようとするものだとすれば、 後者は使用環境における不確定性の影響緩和を主 眼とした思想と言える。一方、2001 年から有力候補プラントの選定段階 (Phase II)に入った、核燃料サイクル開発機構(以下 サイクル機構)および電力ならびに国内プラントメ ーカなどが進めている「高速増殖炉サイクルの実用 化戦略調査研究」(以下 FS)[2,3]では、FBR の安全 性の向上等と合わせて経済的競争力を高める努力 がなされている。そのため多くの革新技術や概念の 導入が検討されているが、最も効果的な概念として 60年を目標としたプラントの長寿命化が注目さ れている。現行の FBR を含む原子力プラントの設 計基準は、単純化した理解では、統計評価に耐えう る有限な量の材料特性データベースを基盤として 成立している。このデータベースは、対象構造材料 に関する、室温から適用温度を含む温度範囲につい て、引張、疲労、クリープ等の基本的な材料試験デ ータによって構成されているが、例えば、時間依存 損傷であるクリープについては最長10万時間(試 験期間約11年間に相当)程度のデータが含まれて いるのが普通である。そうした評価基盤である材料
データの試験時間を大きく超えたプラント長寿命 化の要求は、時間外挿が必然的に内包する評価の不 確定性の増大(精度の悪化)をもたらす。 * ここでは、以上のような状況を背景に、対象を長 寿命ナトリウム(Na)冷却型 FBR(LLSFR)として、使 用環境の特徴を材料仕様に極力反映することで環 境の不確定性がもたらす影響の緩和を図り、さらに 寿命評価等の不確定性を抑える目的から高温長時 間、製造時の組織が安定に維持される FBR 用構造 材料の開発を目指した研究開発の現状について報 告する。長寿命高速增殖炉用構造材料開発 の基本思想一般的な構造材料に共通する、1) 溶接施工性や 2) 費用対効果が良好なことに加えて、FBR プラン トにおけるリスク軽減のために構造材料開発に向 けた特徴的かつ枢要な要求は2つある。これまでも、 使用環境および評価の不確定性、ならびに材料特性 のばらつきがリスク顕在化に直接結びつくことを 抑制するために、適切な裕度を含む高温構造設計基 準や付随する材料強度基準が策定されているが、以 下の要求は陽にはそうした基準類に現れない、材料 の本質にリスク軽減を求めるものである。 (1) 耐熱過渡性、多くの FBR 機器、構造物に加わる主要な負荷は、 プラントの起動、停止における変動も含め熱の伝わ り易い Na を冷却材としていることから、温度変動 に起因する過渡熱応力となる。そのため、材料が持 つ個々の高温材料特性の優劣では分かり難い、熱応 力発生抑制能力とクリープ強度とのバランスの良 好さが要求される。この特性(耐熱過渡性)は以下のStress Controlled7. Inner Pressure Load i・Dead Weight -----------High Yield Ratio & i High Strengthr--Stress! High Yield Ratio & i i High Strength■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■!Low Yield Ratio & High DuctilityLow Yield Ratio & High DuctilityCreep Rupture TimeStrainStrain Controlled Load? Load caused by Thermal Transient 図1 FBR 用構造材料に求められる基本的特性指標で評価できる。10万時間クリープ強度 比高温強度(耐熱過渡性) =” 想定温度変動により発生する応力この指標により、単純な高温強度のみの比較では この指標により、単純な高温強度のみの比較では 確かめられない、FBR 用構造材料に必要な熱的特 性(線膨張係数)、縦弾性係数、およびクリープ強度 特性の均衡程度を把握する。 (2) 変位(ひずみ)制御型負荷に対する特性同様にブラントにおける主たる負荷形態からの 要求であるが、FBR 構造材料では変位(ひずみ)制御 負荷が主要となることから、材料開発時、設計時に 弾塑性関係と高温強度特性のバランス、特に延性の 確保が求められる。これは、一般に、高温強度に優 る鉄鋼材料は延性が不足することが多く、反対に高 延性を志向した材料は多くの場合ある程度強度が 抑制されることになるからである。図1に負荷形態 と材料に求められる適切な特性との関係を模式的 に示す。図に示したように、応力制御負荷(一点鎖」 線)には高強度材が有効であるが、ひずみ制御負荷 (点線)が支配的である場合、高強度材料には大きな 応力が発生するため、結果として高いクリープ強度 を十分に活かせないことがある。また、わずかなひ ずみのばらつきが発生応力の差を生むことから、寿 命予測に大きく影響する可能性がある。一方、強度 的には劣る延性志向材の場合、変動ひずみに因る発 生応力は高強度志向材に比して小さく、結果的に長 い寿命を得ることが可能となる。図は単純化した説 明であることから、全ての鉄鋼材料を説明できるも のではないが、プラントにおける支配的負荷形態を 考慮した材料設計、選択により、材料の特長をより 有効に発揮させることができること、さらに、供- 370 -用中の損傷進行予測の不確定幅を抑制できる可能 性があることを示している。さらに LLSFR については、評価の不確定性抑制 の観点から以下の2特性が追加される。 (3) 長時間時効後の延性、靱性の確保延性、靱性の確保は、鉄鋼材料一般に求められる ことであり FBR 構造材料に限ったものでないが、 高温長時間経過後にも設計要求を満たす両特性の 確保は、FBR プラントの安全論理基盤となる破断 前漏えい(LBB)性を寿命中維持するうえから重要 となる。 (4) 製造時組織(相)長時間安定性高合金鋼はオーステナイトやマルテンサイトと いった母相を有しているほか、強度特性などの改善 を目的に、複数の元素が添加されている。しかし、 長時間高温環境下で用いられる材料では、固溶強化 のために加えられた元素が析出したり、析出強化を 狙った微細な炭、窒化物が肥大化する他、主要な元 素の移動や炭化物形成などにより、初期の相が維持 できなくなり、結果的に材料特性が大きく変わるこ表1 高速増殖炉用高クロム鋼開発目標一覧候補-1(W中添加)候補-2(W無添加)O未試験評個項目「重要性SUS41013 短時間強度 1→1.2.Mod.9Cr-IMo鋼 クリープ強度 >SUS304550°C、10h以上城 クリーフ破断延性Mod. 9Cr-1 Mofr 疲労強度(高温)Mod. 9Cr-I MOFL. クリープ疲労強度Mod.9Cr-1Mo鋼 破壊力学特性(1)高温破壊靭性 04 Mod. 9Cr-1 Mofu(2)熱時効後の高温破壊靭性 - Mod. 9Cr-1 Mofa 切欠き感受性 切欠き強化であること 冷却材との共存性 過渡熱負荷低?Mod. 9Cr-I Mof 10 容接施工法確立の見通し溶接性 告母材高温強度 【製作性(厚肉板、薄肉伝熱管の間の材料特性のばらつき) (1)短時間強度 12 = Mod. 9Cr-I Mof (2)長時間強度＝= Mod. 9Cr-I Mof 113|製造費用の抑制14 高価元素の不使用 11:高温長時間における組織安定性||x| 4|0||0|| ||| x_o_o_o_o||4|4|o|0| || ||c|c|||試驗中ooon当面評価せず※評価◎: 十分目標値を達成、○: 目標値を達成、△:取得データの一部は目標値を達成、X:未達成とになる。そうした変化は、材料特性データベース に基づき開発された強度評価手法や寿命予測手法 の外挿信頼性を損なわせることになるため、可能限 り安定に組織が保たれ、材料特性が劇的に変化しな い材料が望まれる。そのため、実際の材料開発では 加速熱時効後の仔細な組織分析、析出物解析を実施 するとともに、材料試験から取得可能な特性の中で 組織変化に比較的敏感に影響を受ける延性(破断伸 び)に基づく指標の開発を試みている。3. 開発目標の設定- LLFSR 用高クロム鋼開発に着手するに当たり、 プラント設計作業および構造健全性評価技術の高 度化と並行して構造材料開発が行なわれることか ら、前節で述べた基本的な要求事項のほかに、実際 にプラントを設計、構造健全性を評価する側からの」 要求を調査したうえで詳細な開発目標を定めてい る。設計側、構造評価側との緊密な連携は、材料開 発目標をより具体化できるばかりではなく、並行し371て進められる設計評価や改良される構造健全性評 価手法に必要な材料情報を提供し、材料開発途中に おいても対象材料を適用した設計評価を可能とし、 得られた結果や評価結果に基づく新たな要求を直 接材料開発に反映できる長所がある。定めた評価項 目を表1に示す。表中の評価項目欄の下段は開発目 標値を示している。また、FBR 構造材料として特 に重要である項目については、既述の基本思想に基 づき重要性の欄に・で示している。なお、選定評価 項目のうち、費用に関する内容、製造費用の抑制お よび高価な元素使用については、材料開発における 技術課題が解決し、商用材料としての見通しが得ら れた時点で評価することとした。4. 高速増殖炉用高クロム鋼開発現状- 前節までに紹介した基本的な開発思想を踏まえ、 かつ表1に示した各開発項目の目標値達成に向け た研究開発を実施している。ここでは、その現状を 報告する。4.1 FBR 用12Cr 銅の開発現状開発に当たり、既存規格化鋼種のなかで最も目標 に近い材料として、火力プラントで実績がある火 SUS410J3 を選択している。これは、豊富なデータ を開発材の比較参照とするだけではなく、材料の組 成が近く同組織(この場合は焼き戻しマルテンサイ ト相)の鉄鋼材料の特性は短時間特性間の比較評価 に基づき類推できること[4]を考慮したものである。 これにより、開発途中においても長時間域特性を一 定の信頼性を持って予測することが可能となり、か つ開発材料の特性が持つばらつきの下限を同鋼の 蓄積データに基づき示すことができる。すなわち、 データのばらつきが大きい開発段階においても保 守側のデータを適用する制限はあるものの特性の 不確定性に基づくリスク顕在化を抑制できる。さら に、開発項目の目標値に対する火 SUS410J3 鋼の特表2 既存 12Cr 鋼および開発材料の化学組成 (wt%)ISUS410J310.07-0.141 「W中添加10.10-0.14 W無添加10.10-0.16MnNi Cr Mo T W T V T NbTNT Cu <0.711 0 .5110.5-12.510.25-0.65 1.5-2.51 0.15-0.3 0.04-0.11 0.04-0.111_0.3-1.71 ≦0.7 0.5-0.8 9.5-11.0 1.0-1.300.30-0.40|0.10-0.30|0.04-0.08|0.02-0.05| <0.10 ≦1. 0 ≦ 1.0 10.0-11.01.30-1.60 - 0.12-0.220.03-0.08 0.03-0.07 0.15性を評価することにより、重点的な開発項目を明確 に把握できる。表1の同鋼の評価欄に結果(、× 等)を示した。この結果に基づき、1クリープ破断 延性、2破壊力学特性および3高温長時間における 組織安定性の改善が材料開発の重点項目であるこ とが分かる。表2に同鋼の化学組成を示す。重点開 発項目の改善に最も大きな効果を持つ要因として、 主要な構成元素の働き、鋼中の挙動に注目した評価 を行なっている。評価に基づき W および Mo の組 成を以下のモリブデン当量式で最大組成を 1.5wt% とした改良仕様材を製作した。るこ票Mo当量 = [Mo] + 0.5[W],[] : 化学組成(wt%)特性改善試作材の仕様を表2に合わせて示した。 試作材は、両元素の効能が明らかとなるように、W を火 SUS410J3 の1/3程度添加した材料(以下W 中添加材)および W を全く添加しない材料(以下 w 無添加材)とした。3鋼種の 600°C、6,000 時間時 効前後の衝撃特性を図2に示す。図2(1)は時効前 の試験結果であるが、これらの3鋼種の間に大きな 差は認められない。一方、図2(2)に示した時効後 の試験結果では多量の W を含む火 SUS410J3 の低 下が他の2鋼種に比して大きくなっていることが 分かる。図3には時効後のそれぞれの材料組織の SEM 観察結果を示した。写真に白く見える析出物 は組織分析の結果 Laves 相であることが分かって いる。Laves の時効後の析出様相は W 組成が高い ほど顕著であり、この観察結果は別途実施した化学 分析と整合している[5]。これらの試験および分析 結果から、時効後の靭性、延性確保には W と Mo 組成比の最適化が有効であるとの知見を得ている。 並行して進めている析出強化元素の最適化も含め [6]、こうした添加元素の効能を供用中保つことが できれば、材料が初期に持つ特性維持、あるいは緩 やかな特性の経時変化が期待でき、想定プラント寿 372命に比して短時間のデータベースに基づいても設 計評価や寿命評価の外挿信頼性を確保できる(評価 の不確定性の抑制)。 特性改善を狙った試作材の開発目標に対する評価 を表1に示した。今後、破壊靭性等一部の特性改善 を図る必要は残るものの現状でほぼ開発目標を達 成できる見通しをえていることが分かる。図4に開発材の熱過渡耐性、比高温強度を他の既 存有力構造材料と比較して示した。現時点での実力 によれば、高温環境専用に開発されたオーステナイ ト鋼や同種の改良 9Cr 鋼より優る特性、熱的特性 と高温強度のバランスに優れていることが分かる。 これは供用中の支配的な負荷となる熱応力の発生 を抑制する機能に優れることを示しており、材料に 基づく不確定性の1つである使用環境の不確定性 の影響を他鋼種より緩和できる能力が相対的に高 いことも表している。 4.2 開発材料導入による効果評価 - 開発途中ではあるが、FBR 用 12Cr 鋼を現在進め ている FS の実用化高速炉へ適用した結果を図5に 示した。設計によれば、SUS304 を1次系に適用し ている高速増殖原型炉もんじゅに比べ、大幅な配管 短縮が実現でき、試算では、前者が高所水平引回し などにより39m必要であったのに対し、熱過渡耐 性に優れる 12Cr鋼では12mに短縮できる見通し となっている。また、同様に熱膨張対策のために設 けられたエルボの数も前者では 1 ループ当たり9 箇所あったものが、1箇所まで軽減できる設計とな っている。こうした構造の簡略化は単なる物量削減 のみに止まらず、冷却材流況と構造物との連成を取 り扱う健全性評価や長時間稼動において重要とな る溶接箇所の軽減をもたらすことから材料に基づ くリスク軽減を実現するものとして評価できる。5. 結言開発途中にある先進プラントを対象とした、構造 材料開発の現状をまとめた。対象プラントにおける」 構造材料への要求が明確であることに着目して、本 来材料が有する不確定性から発現するリスクの軽 減を目的とした材料開発を試みている。現状で得た 知見は以下のようにまとめられる。OD OOD >Abstet EnergyAbsorte Energy (J)OP122 Amic-W Content OW-FreeOP122 Amid-W Content DW-Free10日。-100 -50050 100 150Temperature (°C)200250-100 -500, 50.1000~150200250(1) 時効前12(2) 時効(600°C×6,000h)後図2 高クロム鋼の時効前後における衝撃特性の変化高クロム鋼の時効前後における衝撃特性の変化図2はい、(1) SUS41013 11 (2) W 中添加材 (3) W 無添加材図3時効後 12Cr 鋼の SEM 組織観察結果-- 12 Cr Steel ーコー316FR: Structural Material for Future FBR]Mod.9 Cr-1 Mo: for SG of DFR T-type304: Structural Material of 'MONJU““(0.001=3-- 12Cr Steel ーコー316FR: Structural Material for Future FBR]ムーMod.9Cr-1Mo: for SG of DFR T-type304: Structural Material of 'MONJU““Equivalent High Temperature Material Strength (10°hr Creep Strength/Thermal Stress at A T=100°C).????????4005001600700Tanarative conEquivalent High Temperaturi (10 hr Creep Strength/The4005006001 700Temperature (°C) 図4 主要な高温構造材料の熱過渡耐性の比較- 373 -(1) 材料に基づく不確定性を、材料特性のばらっき、使用環境の不確定性および評価の精度に 区分し、材料開発側からの軽減を試みた。 (2) 対象プラントの支配的な負荷形態に対する耐性を適切に評価できる指標を設定することや」 負荷を生じる過渡事象に鈍感な材料設計を行 なうことで、負荷の発生軽減を実現するばか りではなく、評価を左右する環境条件の変動による影響を抑制することが可能となる。 (3) 限定した観察結果ではあるが、高クロム鋼の主要な構成元素を最適化することで長時間熱 時効後も安定な材料組織を保っ材料開発の見 通しを得た。そうした材料の実現により、プ ラント寿命より短時間のデータに基づく寿命 評価法や設計手法であっても、その外挿信頼性を確保できることになる。 (4) 材料特性のばらつきが大きくなる開発途中においても、同じ組織を有する類似仕様の既存 材料を参照することで、保守側に偏るものの 評価結果への材料特性のばらつき(不確定)の影響を軽減できる。 (5) 試作段階ではあるが、FBR 用 12Cr 鋼を適用した場合、既存オーステナイト系耐熱鋼を適 用した原型炉と比較して、大幅な物量軽減、 構造簡素が実現できる見通しを得た。謝辞 本報告内容におけるモリブデン、タングステンの最 適組成検討を中心とする評価作業は、検討に供した 試験データも含め、経済産業省からの受託研究によ って行なわれた。参考文献[1] 辻禎之、“材料リスク(材料と社会)に関する調査”、(社)未踏科学技術協会、材料・システム安全研究会講演会、東工大、8月(2004) [2] 特集 高速増殖炉サイクル実用化戦略調査研究フェーズ: 中間取りまとめ““、サイクル機構技 報、No.24 別冊(2004)Sラーはweation図5 12Cr 鋼を1次系構造材に適用した LLSFR概念[2][3][3] Y.Sakamoto, S.Kotake, and et al., ““PROMISINGFAST REACTOR SYSTEMS IN THE FEASIBILITY STUDY ON COMMERSIALIZED FR CYCLE SYSTEMS,““ ICONE 13-50613,Beijing, May(2005). [4] 青砥紀身、和田雄作、「既存鋼種とのアナロジイによる新規開発材料の高温材料特性評価手 法」、日本機会学会論文集 第 523 号A編(1990)17-22. [5] T.WAKAI, K.AOTO, M.SUKEKAWA, S.DATE,K.INOUE, ““The Present Status of Development of High Chromium Steel for FBR““, Proc.30th MPAseminar(2004) 28-1 ~28-14. [6] T.ONIZAWA, T.WAKAI, M.ANDO andK.AOTO, ““Effect of V and Nb contents on mechanical properties of high Cr steel”, Proc.Creep and Frac. in High Temp. Comp.-Design & Life Assess(2005), to be appeared.[6]374“ “長寿命高速炉プラント実現に向けた構造材料開発の現状“ “青低 紀身,Kazumi AOTO,若井 隆純,祐川 正之,伊達 新吾,Shingo DATE,井上 和彦,Kazuhiko INOUE