Systematic experimental and model-based evaluation of the synergistic effects of alloy composition and damage rate on the formation of Cr-rich precipitates in Fe-Cr-Al alloys under ion irradiation

イオン照射下でのFe-Cr-Al合金におけるCrリッチ析出物形成に及ぼす合金組成と損傷速度の相乗効果に関する系統的実験とモデルに基づく評価

阿部 陽介  ; 佐々木 泰祐*; 山下 真一郎   ; 大久保 成彰   ; 鵜飼 重治  

Abe, Yosuke; Sasaki, Taisuke*; Yamashita, Shinichiro; Okubo, Nariaki; Ukai, Shigeharu

軽水炉用燃料被覆管として開発中のFeCrAl-ODS (ODS:酸化物分散強化)合金のモデル合金として、CrとAlの組成を系統的に変化させた14種類のFe-Cr-Al合金をCで10.5MeVの自己イオンにより0.24dpaまで照射した。中性子照射条件下でのCrリッチ析出物(CrRP)の生成挙動を予測するために、3水準の損傷速度を選択した。3次元アトムプローブ解析の結果、Cr組成の増加、Al組成の減少及び損傷速度の減少に伴い、CrRP数密度、体積率及びCr濃度が増加することがわかった。重回帰分析の結果、これらの主要な効果に加えて、CrRP体積率には次の交互作用があることが示された:(1)Al組成が高いほど、Cr組成の増加に伴うCrRP体積率の増加は小さく、(2)Cr組成が低いほど、Al組成および損傷速度の低下に伴うCrRP体積率の増加は小さい。また、中性子照射下でのCrRP生成挙動に対する損傷速度の影響を理解するためには、損傷量依存性の観点に加えて、損傷速度ゼロの限界として熱時効データを利用することが有効であることを強調した。本研究で構築した体系的なCrRP関連量のデータベースは、数値予測モデルのさらなる開発と検証に貢献するものと考えられる。

To investigate the formation behavior of Cr-rich precipitates (CrRP) in Fe-Cr-Al (ODS) alloys being developed as accident tolerant fuel cladding for light water reactors, 14 Fe-Cr-Al alloys with systematically varied Cr and Al compositions were irradiated with 10.5 MeV Fe at C at three damage levels. A three-dimensional atom probe analysis showed that the CrRP number density, volume fraction, and Cr concentration increase with increasing Cr composition, decreasing Al composition, and decreasing dose rate. The result of the multiple regression analysis on CrRP volume fractions indicates that in addition to the primary effects of these variables, there are several important interactions. It was also highlighted that to understand the dose rate effect on the CrRP formation behavior under neutron irradiation, it is useful to examine the irradiation time dependence, including the effective use of thermal aging data as a limit to the zero dose rate.