Modelling of intergranular corrosion using cellular automata, 2

セルラーオートマトン法を用いた粒界腐食モデリング,2

五十嵐 誉廣  ; 入澤 恵理子 ; 小松 篤史 ; 山本 正弘 ; 加藤 千明   ; 上野 文義  

Igarashi, Takahiro; Irisawa, Eriko; Komatsu, Atsushi; Yamamoto, Masahiro; Kato, Chiaki; Ueno, Fumiyoshi

核燃料再処理施設では、構造材料として主にオーステナイト系ステンレス鋼が使用されており、使用済み核燃料を溶解するため高温高濃度硝酸溶液が用いられる。このような非常に厳しい腐食環境ではステンレス鋼は粒界腐食形態を示す。再処理施設の安全性を維持するためには、粒界腐食挙動を理解することが重要である。様々な実験結果より、粒界腐食の進行とともに粒子の脱離(脱粒)が起こり腐食速度が加速することがわかっている。粒界腐食による腐食速度を予測するためには、金属表面の溶解だけでなく脱粒も考慮する必要がある。我々は過去の研究において、セルオートマトン法による計算による粒界腐食進展モデルを開発した。このモデルでは、解析系を3種類の非立方体セル(粒子内部(マトリックス)セル, 粒界セル、および溶液セル)に分割する。溶液セルと接触しているマトリックスおよび粒界セルはマトリックス溶解速度および粒界溶解速度で溶液セルに変化することで粒界腐食を表現する。各浸食速度は、粒界とマトリックス間の溶解速度比と実験データから得られた反応速度データによって決定される。モデルを用いたシミュレーションを行った結果、適切な溶解速度比をモデルに設定することで実際の腐食試験の腐食速度の変化を精度よくシミュレーションできることを示した。

Nuclear fuel reprocessing plants contain high-temperature condensed nitric acid solution for dissolution of spent nuclear fuel, and austenitic stainless steels are used as a main material for spent nuclear reprocessing systems. In such a highly oxidizing environment, stainless steel shows the morphology of an intergranular corrosion surface. To keep maintain the safety of the system, it is important to understand the intergranular corrosion behavior. According to our experiments, grain dropping occurred with intergranular corrosion progress and that lead accelerating the corrosion rate. To predict corrosion rate due to intergranular corrosion, it is necessary to consider not only dissolution of the metal surface but also grain dropping. In our previous study we developed computational intergranular corrosion propagation model by cellular automata method. In the model, simulation space is parted into three kinds of non-cubic cells: interior of grain (matrix) cell, grain boundary cell, and solution cell. The only matrix and grain boundary cell contacted with solution cell corrode and change into solution cells with local matrix and grain boundary dissolution rates. The corrosion rates were determined by dissolution rate ratio between grain boundary and matrix, and reaction rate theory with our experimental data. By setting appropriate dissolution rate ratio from experiments into the model, change of corrosion rate was estimated by the simulation and it was good agreement with that of real corrosion test.