高速炉構造材料の照射損傷管理技術に関する研究開発

公開日:
カテゴリ: 第7回
1. 緒言
原子炉容器や炉内構造物等のように比較的低い 反射線環境下に長時間継続的にさらされ、かつ寿命 コの交換が困難である鉄鋼材料構造物に関して、機特性に与える照射環境効果を適切に把握し管理 一ることは、合理的なプラントの設計や建設、運転始後の経年評価等の健全性確保のために必須で ある。照射環境効果を評価するための指標としては、 これまでの研究により、弾き出し損傷量や He 生成 量、及び両者の比(Heldpa)が有望であることが知 られている。そこで本研究では、次世代高速炉の候補構造材料 つひとつである高速炉用 SUS316 オーステナイト系 ステンレス鋼(316FR)を対象に、上記の候補指標 の有効性を検討した。想定適用範囲は、弾き出し損 島量及び He 生成量についてそれぞれ約1dpa、約 30 ppm までとした。高速炉「常陽」及び熱中性子炉 「JRR-3M」を用いて中性子照射試験を行い、引張試 浄、クリープ試験に供した。異なる種類の原子炉を 引用することにより、単一の炉では得ることが難し い照射損傷範囲の試料を得ることができる。さらに、連絡先: 髙屋 茂, 〒311-1393 茨城県東茨城郡大 も町成田町 4002,(独)日本原子力研究開発機構 次世代原子力システム研究開発部門 構造材料 平価グループ,電話 : 029-267-4141, E-mail: | akaya.shigeru@jaea.go.jp三研究では各炉での照射に加えて、両炉を用いた組 合せ照射も実施した。また、運転開始後の照射損傷量を非破壊で評価す うために提案した遠隔操作式振動試料型磁力計を 引いた手法についても紹介する。
2. 実験方法 3.1 中性子照射試験」
中性子照射試験は、日本原子力研究開発機構の高 東実験炉「常陽」(高速炉)及び研究用原子炉 「JRR-3M」(熱中性子炉)を用いて、各炉での単独 照射試験及び両炉を用いて世界的にも希少である 組合せ照射を実施した。照射試験の雰囲気は、不活 生ガス(Ar、He) 中とした。高速炉での照射では、熱 中性子炉での照射に比べて多くの弾き出し損傷が 導入され、一方、熱中性子炉での照射では、より多 くの He が生成されるため、複数の炉を用いた照射 や組合せ照射を実施することにより、より広い範囲 での照射損傷指標の検討が可能になる。供試材には、316FR を用いた。また、熱中性子炉 である「JRR-3」での照射の際に ''B(n, a)' Li反応を 利用して、短時間でより多くの He を発生させるた めに、'Bを添加した 316FR(316FR+B)も作製し、照 射試験に供した。両鋼の化学組成を表 1 に示す。 316FR については 1050°Cで、316FR+B については 1010°Cで 30 分間保持した後、水冷することにより、 容体化処理を行った。試験片形状を図1に示す。引Table 1 Chemical compositions (wt%) |c | Si | Mn | P | s | Cu | Ni | Cr | Mo | V | N 316FR0.01 | 0.59 0.84 10.026 | 0.003 10.26 | 11.19 | 16.87 | 2.23 | 0.08 | 0.08 316FR+B 0.01 | 0.58 | 0.79 | 0.020 | 0.003 | 0.28 | 11.02 | 16.63 | 2.08 | 0.008 | 0.076 | *. '°B with 99% purity was used.(ppm)23* -長試験、クリープ試験には SS-3 試験片を、照射損傷 の非破壊評価手法の開発を目的とした磁気測定に は短冊状試験片を用いた。照射後に、照射損傷量及び照射温度を評価した結 果、「常陽」での照射については、弾き出し損傷量、 He 生成量、照射温度の範囲は、それぞれ、0.8~1.7 apa、0.3~0.9 appm、487~565°Cであった。また 「JRR-3M」での照射については、それぞれ 0.1~0.2 ■pa、He 生成量: 1.7~35 appm、441~579°Cであっ中性子照射試験のより詳細については、松井らに より報告されている[1]。25.41.524.95||| (t = 0.76)7.62 (a) SS-3 type.25.44.95(t = 1.71)(b) Plate type.Fig.1 Dimensions of the samples. (unit: mm)2.2 照射後試験引張試験及びクリープ試験を実施した。試験温度 はいずれも 550°Cとし、真空中(102~10“ Pa)で実 施した。引張試験における引張速度は 0.2 mm/min とした。 * 本研究では、引張試験、クリープ試験ともに、図 1(a)に示す微小試験片(SS-3 試験片)を用いた。加 藤らは、316FR の未照射材について、SS-3 試験片で 得られた引張特性及びクリープ特性と、JIS 標準試 験片で得られたそれらを比較し、両者に有意な差が 認められないことを報告している[2]。さらに、新たに開発した遠隔操作式振動試料型磁 力計[3]を用いて照射材の磁化曲線を測定した[4]。図 1(b)に示す短冊状試験片を、照射後、6.5 mm の長さ に切断し、測定に供した。印加磁場方向は試験片の 長手方向とし、最大印加磁場は約 0.5/ko Alm とした。3.照射損傷評価指標の検討図2に、弾き出し損傷量と 550°Cでの引張試験結 果(未照射材の結果で規格化した降伏応力及び破断 伸び)の関係を示す。なお、図には、今回の照射後 試験結果の他に、原子力機構の既存照射後試験結果 も含めた。また、図中プロット点の濃淡は、Heldpa に対応している。この図から、弾き出し損傷量の増 加とともに、降伏応力が増加し、破断伸びが低下す る傾向が認められ、弾き出し損傷量が引張特性への 照射環境効果を評価するための指標として有効で あることがわかる。一方、Heldpa については、仮に 指標として有効であるならば、同一弾き出し損傷量 で比較した場合、He/dpa に従ってデータが分布する ことが予想されるが、データのばらつきが見られる 1 dpa 付近に注目しても、そのような傾向は認められ なかった。このことから、引張特性については、 Heldpa を考慮する必要はないことが分かる。引張特性に与える He 単独の影響については、長 谷川らにより検討されている[4, 5]。長谷川らは、 316FR について、AVF サイクロトロンを用いて、約 550°Cで、50 MeV He-イオンを最大 50 appm まで注 入した後、注入温度と同じ 550°Cで引張試験を行い、 He注入量が機械特性に与える影響を調べている[5]。 その際の弾き出し損傷量は約 0.01 dpa 以下である。 その結果、He 注入量が 50 appm までの範囲では、強 度、延性ともに、He 注入による顕著な変化は認めら れないことがわかった。長谷川らは、また、約 550°C で 10 appm まで He を注入した 316FR の透過型電子 顕微鏡観察も実施しており、マトリックス中にも結 晶粒界においても、He バブルが観察されなかったこ とを報告している[4]。このように、He 生成量も、 引張特性の照射環境効果を評価する上で考慮する 必要が無いことが分かる。 * 以上のことから、想定適用範囲内においては、弾 き出し損傷量が、引張特性への照射環境効果を評価 するために有効な照射損傷指標であることが分かった。次に、クリープ破断寿命の照射環境効果評価に有 効な照射損傷指標について検討する。図3に、クリ - 232 -100002.5|1et3[1e+2Normalized yield stressHe/dpa (appm/dpa)100|1e-10.011e- 41e- 31e- 21e- 11e+01e+1 Dose (dpa) (a) Normalized yield stress.11000010000.11Normalized fracture elongationHe/dpa (appm/dpa)+---Die-21e- 41e- 31e- 21e- 11e+01e+1_1 Dose (dpa) (b) Normalized fracture elongationFig. 2 Relationships between dose and tens properties of 316FR at 550°C.tensileープ破断寿命比と弾き出し損傷量及び He 生成量と の関係を示す。なお、クリープ破断寿命比とは、照 射材のクリープ破断寿命と、同じ負荷応力での未照 射材のクリープ破断寿命の比のことである。また、 図には、316FR と同じオーステナイト系ステンレス 鋼である SUS304 鋼に関するデータを含む原子力機 構の既存照射後試験データも加えた。図 3 から、 SUS304 に比べて、316FR の方が、照射によるクリ ープ寿命の低下程度が小さいことがわかる。また、 弾き出し損傷量、He 生成量のいずれについても、値 の増加とともに、クリープ破断寿命比が低下する傾 向にあるように思われる。しかしこれは、多くのデ ータが「常陽」での照射試料を用いて得られている ために Heldpa がほぼ等しく、弾き出し損傷量と He 生成量の効果を明確に分離できていないことが影 響していると考えられる。そこで、図中点線の囲み で示した弾き出し損傷量がほぼ等しく、He 生成量が 大きく異なる 316FR と 316FR+B の結果に着目する と、He 生成量が1桁以上異なるにも関わらず、クリープ破断寿命比に大きな違いはないことが分かる。 上述の長谷川らの研究結果からも、約 30 appm まで とした今回の想定適用範囲内においては、He 生成量 単独では機械特性に顕著な影響を及ぼさないと予 想される。さらに Heldpa についても、クリープ破断 寿命比との関係を検討したが、特に相関性は認めら れなかった。以上の結果から、クリープ破断寿命についても、 弾き出し損傷量が約 1 dpa まで、He 生成量が約 30 appm までとした想定適用範囲内であれば、弾き出 し損傷量を用いて評価できることが分かった。ここ で、一般的には、クリープ特性については He 生成 量が影響すると考えられている。今回の検討では、 単純な総量としての He 生成量とクリープ破断寿命 の間に直接的な相関を求めることは困難であった。 しかしながら、今後、例えば、結晶粒界に偏析する He量等のような実効的な He量との相関を検討する 必要があると考えられる。Time to rupture ratio (Tread/Tr Unitrad.)01.E.041.E.03OSUS304 ●316FR ■316FR+BTime to rupture ratio (Triad / Tr Unitrad.)1.E.04 110.0031101.E-02 1 1 .E-01dose (dpa) (a) dose◆SUS304●316FR316FR+BTime to rupture ratio (Trinad/Truninrad.)0.0010.01101000.11.E+00 He content (appm) (b) He contentFig. 3 Relationships between irradiation damage indexes and time to rupture ratio.Time to rupture ratio (Trinad. Trunimad.)0.0010.012334.損傷指標に基づく照射損傷の非破壊評 価技術の開発3.での検討から、照射損傷指標として弾き出し損 傷量が有効であることが分かった。そこで、運転開 始後の弾き出し損傷量の進行監視技術を開発する ことを目的として、遠隔操作式振動試料型磁力計を 開発した[3]。 本装置を用いることにより、照射材の 磁化曲線を簡便に測定することが可能であり、磁化 曲線から保磁力等各種磁化特性を評価することが できる。本研究で中性子照射した 316FR 及び 316FR+B の 磁化曲線を測定し、各種磁化特性と弾き出し損傷量 の関係を調べたところ、特に、最大印加磁場での磁 化(飽和磁化相当値)と保磁力が弾き出し損傷量と の相関が高かった[4]。例として、保磁力と弾き出し 損傷量の関係を図4に示す。弾き出し損傷量ととも に、保磁力が低下する傾向が認められる。 *今後、データの拡充が求められるものの、遠隔操 作式振動試料型磁力計を用いてサーベイランス試 験片等の磁化曲線を測定し、保磁力等の磁化特性を 評価することによって、損傷指標として有望である 弾き出し損傷量の進行を監視できる可能性がある。JRR-3316FR ・316FR+BJRR-3(467°C)Coercive force (10+/4, A/m)JOYO.JOYO JRR-3JOYOJRR-3JRR 3-JOYO0.511.5 Dose (dpa)Fig. 4. Relationship between dose and coercive force[4].5.結言次世代高速炉の候補構造材料である 316FR を対 象に、照射損傷評価の候補指標である弾き出し損傷 量、He 生成量及び両者の比について、中性子照射に よる引張特性及びクリープ特性変化との関係を調 べ、次世代高速炉構造材料の照射損傷評価に有効な 指標を検討した。想定適用範囲は、弾き出し損傷量 及び He 生成量についてそれぞれ約 1 dpa、約 30 appm までの範囲とした。「常陽」及び「JRR-3M」の各炉での照射及び両炉 を用いた組合せ照射を実施し、引張試験及びクリー プ試験に供した。原子力機構の既存照射後試験デー タを合わせた検討の結果、想定適用範囲内では、He生成量及び Heldpa は、引張特性やクリープ特性に有 意な影響を与えないと考えられること、一方、弾き 出し損傷量については、その増加とともに降伏応力 の増加、引張破断伸びの低下、クリープ寿命の低下 が認められることがわかった。以上の検討の結果か ら、候補指標のうち、弾き出し損傷量が、照射損傷 指標として最も有効であると考えられる。さらに、遠隔操作式振動試料型磁力計を用いて評 価した保磁力と弾き出し損傷量の関係を紹介し、サ ーベイランス試験片等を用いて、実機の弾き出し損 傷量の進行を監視できる可能性を示した。謝辞本報告の内容は、旧電源開発促進対策特別会計法 及び特別会計に関する法律(エネルギー対策特別会 計)に基づく文部科学省からの受託事業として独立 行政法人日本原子力研究開発機構が実施した平成 18年度、平成19年度及び平成 20 年度「長寿命プラ ント照射損傷管理技術に関する研究開発」の成果で す。参考文献 [1] 松井義典ら, “実験炉組合せ照射(JRR-3⇔常陽)及びホット施設 (WASTEF, JMTR ホットラボ、 MMF, FMF) の 作業計画と 作業報告““,JAEA-Technology 2009-072 (2010). [2] 加藤章一, 若井栄一, 吉田英一,土岐沢耕一,福島文欧,“長寿命プラント照射損傷管理技術 に関する研究開発 (5)微小試験片による未照射 材料の強度試験““,日本原子力学会 2007 年秋の 大会, G12 (2007) 高屋茂,山県一郎, 市川正一, 永江勇二, 若井 栄一, 青砥紀身, “照射損傷評価のための遠隔操 作式振動試料型磁力計の開発”, 保全学誌, 9[1],51-56(2010). [4] S. Takaya, I. Yamagata, S. Ichikawa, Y. Nagae, K.Aoto, “Nondestructive Evaluation of Neutron Irradiation Damage on Type 316 Stainless Steel by Measurement of Magnetic Properties”, International Journal of Applied Electromagneticsand Mechanics, accepted. [5] A. Hasegawa, S. Nogami, M. Sato, E. Wakai, K.Aoto, “Evaluation of Helium Effect on Candidate Structural Materials for Next Generation Long-life Nuclear Plant”, CYRIC (Cyclotron and Radioisotope Center) Annual Report 2007, 25-29(2008). [6] A. Hasegawa, S. Nogami, M. Sato, E. Wakai, K.Aoto, “Evaluation of Helium Effect on Candidate Structural Materials for Next Generation Long-life Nuclear Plant”, CYRIC Annual Report 2008, 47-52 (2009).234“ “?高速炉構造材料の照射損傷管理技術に関する研究開発“ “永江 勇二,Yuji NAGAE,若井 栄一,Eiichi WAKAI,青砥 紀身,Kazumi AOTO
著者検索
ボリューム検索
論文 (1)
解説記事 (0)
論文 (1)
解説記事 (0)
論文 (0)
解説記事 (0)
論文 (1)
解説記事 (0)
論文 (2)
解説記事 (0)
論文 (2)
解説記事 (0)
論文 (1)
解説記事 (0)
論文 (2)
解説記事 (0)
論文 (0)
解説記事 (0)
論文 (5)
解説記事 (0)
論文 (5)
解説記事 (0)
論文 (0)
解説記事 (0)
論文 (0)
解説記事 (0)