チタンオーバーパックの水素脆化に関する研究

Study on hydrogen embrittlement property of titanium for nuclear fuel waste container

和田 隆太郎*; 栗本 宣孝*; 藤原 和雄*; 安倍 睦*; 建石 剛*; 舛形 剛*

Wada, Ryutaro*; not registered; Fujiwara, Kazuo*; not registered; Tateishi, Tsuyoshi*; Masugata, Tsuyoshi*

高レベル放射性廃棄物の地層処分では、オーバーパックには1000年の核種閉じ込め性が要求される。候補材料の一つであるチタンでは、地下深部本来の環境とされる還元性雰囲気での水素脆化挙動が寿命予測の課題である。本研究では電解化学試験によってチタンに水素吸収処理を行い、吸収水素量をパラメーターとして機械的強度の劣化を引張試験、曲げ試験および衝撃試験で調べた。動的な応力を負荷(衝撃試験)した場合では、1000ppmの水素吸収量で明らかに水素脆化による機械特性の劣化が認められたものの、静的な応力を負荷(引張試験および曲げ試験)した場合では、ミクロ組織レベルで水素化物由来の割れが観察されたが、水素脆化による機械特性の顕著な劣化は認められなかった。また、低酸素濃度条件でのチタン試験片の浸漬試験で水素発生型腐食による発生水素量とチタン材の水素吸収量を比較した結果、水素ガス発生量から求めた腐食速度が10 SUP-4 m/年オーダーに対して、水素吸収量から求められた腐食速度は10 SUP-2 m/年と見積られ、発生する水素はほとんどチタンに吸収されると考えられた。チタン複合オーバーパックの強度部材である炭素鋼の腐食速度は、腐食生成物のマグネタイトが堆積することにより加速されると考えられるが、その腐食速度の加速に対する水素ガス発生反応の寄与率は約60パーセントと見積られた。

In geologic disposal system of high-level radioactive waste, confinement by waste container must be assured over a thousand years. Titanium is one of the candidate materials, so it is important to clarify hydrogen embrittlement property under geological environment for the container lifetime prediction. The purpose of this study is to investigate hydrogen embrittlement behavior of titanium under reducing condition. Hydrogen was absorbed into titanium test pieces by electrochemical method, and tensile bending and impact tests were performed for mechanical property research. Under 1000ppm concentration of hydrogen, while distinct degradation of mechanical properties by hydrogen embrittlement occurred on dynamic stress, micro cracks induced by hydride were observed in fracture, but distinct degradation of mechanical properties by hydrogen embrittlement did not occur on static stress. Under low oxygen circumstances, corrosion rates of titanium were estimated 10 micrometer/year by hydrogen absorption method, on the contrary to 10 micrometer/year by gas evolution method. These results indicated hydrogen generated by corrosion of titanium under reducing condition, is almost absorbed into material. Carbon steel is regarded as reinforcement of the titanium nuclear fuel waste container. Magnetite, corrosion product of carbon steel, is considered to accelerate corrosion rate. Contribution of hydrogen evolution reaction to its acceleration is estimated to ca.60%.