Mechanical properties of welded joint at cryogenic temperature for manufacturing of ITER TF Coil Structure

ITER TFコイル構造物極低温における溶接継手の機械特性

櫻井 武尊; 井口 将秀; 中平 昌隆; 齊藤 徹; 小泉 徳潔

Sakurai, Takeru; Iguchi, Masahide; Nakahira, Masataka; Saito, Toru; Koizumi, Norikiyo

原子力機構は、ITER計画において、9個のトロイダル磁場コイル(TFコイル)と19個のTFコイル構造物の調達を担当している(予備1個を含む)。TFコイル構造物は、D型形状の超伝導巻線部を格納する高さ16.5m、幅9mの超大型で複雑な形状の構造物体である。TFコイル構造物は、運転条件である極低温(4K)において強力な電磁力に耐える必要があるため、高マンガン・ステンレス鋼JJ1及び高窒素添加型316LN鋼といった、高降伏応力、高破壊靭性を有するオーステナイト系ステンレス鋼が用いられる。これらの材料をFMYJJ1と呼ばれる溶接ワイヤでTIG溶接することでTFコイル構造物は製作される。一般的に、溶接継手の機械特性は、溶接方法や溶接姿勢等の溶接条件に依存するが、これまで200mm以上の溶接厚さを有する実機TFコイル構造物を模擬した溶接継手の4K機械試験データの取得は限られていた。本研究では、実機と同様の溶接厚さ(最大320mm)で、溶接方法や溶接姿勢、母材との組み合わせを模擬した溶接継手を製作し、4Kにおける引張試験や破壊靱性試験を含む機械特性を取得した。その結果、全ての溶接継手が要求性能である降伏応力(900MPa)と破壊靭性(180MPam)を満足した。実機TFコイル構造物で採用する溶接条件の範囲では、機械特性は溶接方法や溶接姿勢よりも、母材との組み合わせに依存することが確認できた。以上により実機相当溶接継手の4K機械特性データ・ベースの構築に寄与した。

Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has responsibility to procure 9 Toroidal Field (TF) coils and 19 TF coil structures for ITER project. A TF coil structure consists of the main body structure having D-shape with 13.6 m of height and 9 m of width in which a superconducting winding pack is enclosed and the components to connect adjacent TF coils or other surrounding components. TF coil structures are manufactured from austenitic stainless steel having high tensile strength and fracture toughness at cryogenic temperature (4K) in order to ensure the huge electromagnetic force. As structural materials, austenitic stainless steel having high Manganese and Nitrogen which was named as JJ1 and high Nitrogen containing 316LN stainless steel are applied. These materials are welded each other by Tungsten Inert Gas (TIG) welding with FMYJJ1, which had been developed for welding material based on JJ1. The cryogenic mechanical properties of welded joints which have over 200 mm of actual thickness are limited due to less demonstration of such a heavy thick joints. In addition, destructive test specimens cannot be taken from actual TF coil structure. Hence, it is necessary to confirm actual thickness of welded joint performance by actual welding conditions mock-up. JAEA manufactured some welded joint mock-ups having the same welding thickness and combination of base materials as actual TF coil structure by applying actual welding conditions. JAEA measured mechanical properties of tensile and fracture toughness in liquid Helium environment by using test specimens taken from these welded joint mock-ups. This study reports these mechanical test results of welded joints at cryogenic temperature. "The view and opinions expressed herein do not necessarily reflect those of the ITER Organization."