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論文

硬球押し込みによる多軸残留応力場の応力腐食割れ試験法への適用性評価

井岡 郁夫; 木内 清*; 滝沢 真之*; 伊藤 剛士*

日本金属学会誌, 78(1), p.16 - 22, 2014/01

 パーセンタイル:100(Metallurgy & Metallurgical Engineering)

工業プラント等の構造材や溶接継手での応力腐食割れの迅速定量的評価には、多軸応力場の再現が不可欠である。WC製硬球の押し込みにより多軸残留応力場を形成した試験片を用いて応力腐食割れ試験を実施し、その適用性を評価した。SUS304平板試験片にブリネル型硬球を押し込み、それにより生じる圧痕周りの残留応力、変位をX線回折法、変位計により測定した。有限要素法による数値解析を行い、解析結果と測定値を比較し、両者が比較的よく一致することを確認した。数値解析により、残留応力が最適となるように押し込み硬球径、試験片ホルダー台座穴径、試験片板厚、及び押し込み深さを選定した。選定した押し込条件で作製した試験片を用いて塩化物応力腐食割れ試験を行った。圧痕周辺に発生した割れと残留応力分布を比較し、多軸残留応力場の応力腐食割れ評価法への有用性を示した。

論文

Study of optimum composition of extra high purity Ni-Cr-W-Si alloy for advanced reprocessing plant

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 木内 清; 中山 準平*

Proceedings of 2nd International Workshop on Structural Materials for Innovative Nuclear Systems (SMINS-2), p.391 - 400, 2012/12

次世代再処理施設の高酸化電位の耐硝酸性環境への適用を念頭にして高Cr-W-Si系Ni基合金組成の最適化を進めている。当該Ni基合金は、高酸化電位において現行ステンレス鋼の課題である過不働態が生じ難い優れた耐食性を有する。また、コールドクルーシブル誘導溶解と電子ビーム溶解を組合せた超高純度溶製技術(EHP)の適用により、溶融割れが生じず可塑性材が得られている。しかし、シリサイド生成能が高く、実用化上、熱間加工や溶接上の技術的制約が大きい。耐食性を損なわずに、それらの特性が良好な組成範囲を選定するため、SiとWの含有量を変えたEHP試験材を作製した。試験材の高温高速引張試験、及び耐食性や溶接施工性能の評価試験を実施して、最適組成範囲を検討した。

論文

Microstructural evolution and void swelling in extra high purity Ni-base superalloy under multi-ion irradiation

Kim, G.; 芝 清之; 沢井 友次; 井岡 郁夫; 木内 清; 中山 準平*

Proceedings of 2nd International Workshop on Structural Materials for Innovative Nuclear Systems (SMINS-2), p.273 - 279, 2012/12

In the present work, irradiation effects of high-purity Ni alloys were studied in terms of microstructural changes with respect to multi-ion irradiation by using JAEA triple-ion beam irradiation facility, TIARA. The alloys investigated are designed as the MA doped MOX fuel claddings for sodium cooled fast reactor and impurities, such as C, O, N, P, S were reduced less than 100 ppm in total to improve workability, irradiation embrittlement, inter-granular corrosion, and so on. Two types of alloys (Fe-40Ni-Cr-1.5Ti-1.5Al) with different Cr contents (20 or 25%) were used for the irradiation experiments. Single (Fe$$^{3+}$$ or Ni$$^{3+}$$), dual (single + He$$^{+}$$), and triple (dual + H$$^{+}$$) beam irradiation were conducted up to $$sim$$50 dpa, $$sim$$150 appmHe, and $$sim$$1500 appmH at 825K to evaluate the effect of radiation damage and the effect of transmuted gaseous elements. Void swelling was evaluated and compared with type 316 stainless steel. Other microstructural features, such as precipitation stability, dislocation structures were also evaluated to discuss irradiation resistance.

論文

Study on the oxygen adsorption property of nitrogen-containing metal-free carbon-based cathode catalysts for oxygen reduction reaction

木内 久雄*; 丹羽 秀治*; 小林 正起*; 原田 慈久*; 尾嶋 正治*; 畳開 真之*; 難波江 裕太*; 黒木 重樹*; 柿本 雅明*; 池田 隆司; et al.

Electrochimica Acta, 82(1), p.291 - 295, 2012/10

 被引用回数:10 パーセンタイル:63.21(Electrochemistry)

含窒素ポリアミド(PA)と窒素を含まないフェノール樹脂(PhRs)由来の金属を含まない炭素触媒への酸素吸着特性を調べた。電気化学分析及びラマン分光からPA由来の炭素触媒はPhRs由来の物よりもより高い2電子酸素還元活性を示し、またより多くの欠陥を含むことがわかった。${it In-situ}$X線光電子分光からグラファイト状窒素が酸素吸着に寄与しPA由来の触媒ではC=Oが主な成分であることがわかった。これらの実験結果はグラファイト状窒素の近傍に吸着したC=O成分が2電子酸素還元の活性点であることを示唆している。

論文

Radiation hardening and IASCC susceptibility of extra high purity austenitic stainless steel

井岡 郁夫; 石島 暖大; 宇佐美 浩二; 桜庭 直敏; 加藤 佳明; 木内 清

Journal of Nuclear Materials, 417(1-3), p.887 - 891, 2011/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:66.23(Materials Science, Multidisciplinary)

主要元素の調整,有害不純物の低減,熱処理による微細粒化からなるIASCC対策を施した超高純度オーステナイトステンレス鋼(Fe-25Cr-35Ni EHP)を開発した。照射試験片は外径11mm,肉厚0.4mmの管から作製した。試験片は、JRR-3で不活性ガス中、25000h, 553Kで照射し、照射量は1.5$$times$$10$$^2$$$$^5$$n/m$$^2$$であった。IASCC感受性を評価するため、高温水中(7.7MPa, 561K, 32ppmDO)で照射材のSSRT試験を実施した。SSRT後のSEM観察より、Fe-25Cr-35Ni EHPは延性破面であったが、比較材のSUS304では約70%の粒界破面が観察された。微細組織の観察では、両材ともボイドは認められなかったが、照射欠陥のサイズ,密度に違いがあり、Fe-25Cr-35Ni EHPは、SUS304より耐照射性に優れているものと考えられる。

論文

Study of optimum composition of extra high purity Nb-W alloy for reprocessing condition with boiling nitric acid

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 木内 清; 中山 準平*

Proceedings of 19th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-19) (CD-ROM), 5 Pages, 2011/05

再処理施設用材料として、現行ジルコニウムより優れた耐環境割れ性を有する超高純度Nb-W合金(Nb-W EHP)を開発している。Nb-W EHPは、溶接性に技術的な課題がある。そこで、Wの最適組成範囲を選定するため、W量の異なるNb-W EHPの溶接継手をTIG溶接に作製した。引張試験,腐食試験,シャルピー衝撃試験により、Nb-W EHPの化学的,機械的特性へのWの影響を調べた。Nb-W EHP溶接継手の腐食速度に及ぼすWの効果がほとんどなかった。Wの増加はNb-W EHPの引張強さを向上させた。構造材として重要な延性-脆性遷移温度(DBTT)は、Wの増加に従って増加した。溶接継手のDBTTは母材に比べ約150K高かった。得られた結果より、Nb-W EHPのW量は8wt%以下に調整する必要であることがわかった。

論文

Irradiation behavior of precipitation hardened Ni-base super-alloys with EHP grade under multi-ion irradiation

Kim, G.; 芝 清之; 沢井 友次; 井岡 郁夫; 木内 清

Materials Research Society Symposium Proceedings, Vol.1298, p.61 - 66, 2011/04

FaCT事業では、約250dpaの照射量に耐える燃料被覆管の候補材として9Cr系のODS鋼が選定されているが、粉末冶金に伴う製品の安定性や、再処理適合性の面での懸念も議論されている。本研究では、こういった懸念に対するバックアップ材料としての位置づけで、耐照射性とともに耐食性に優れる二種類($$gamma$$'析出型とG相析出型)の超高純度高Ni合金(EHP合金)を選定し、その開発を進めている。開発材の耐照射性を確認するために、高速炉での核変換反応に伴うHeやHの生成量を模擬した高崎量子応用研究所TIARAのイオン照射実験を実施した。その結果、400$$^{circ}$$C照射では$$gamma$$'析出型合金,G相析出型合金ともに照射硬化を示したが、G相析出型合金の方が照射硬化量は大きかった。また、550$$^{circ}$$C照射によるスエリングは両合金ともに良好であったが、特にG相析出型合金では大型のボイドが形成されず、極めて耐スエリング性が高いということが明らかになった。

論文

Application of extra high purity austenitic stainless steel to weld overlay

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 木内 清; 中山 準平*

Proceedings of 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18) (CD-ROM), 6 Pages, 2010/05

有害な不純物を100ppm未満に抑えた超高純度オーステナイトステンレス鋼(EHP合金)を開発した。EHP合金は、応力腐食割れ(SCC)の基点と考えられる粒界腐食に対して優れた抵抗性を有している。そこで、SCCを防止するためのオーバーレイ材料として、EHP合金の適応性を評価した。試験には、EHP合金の比較材として従来材を用いた。試験片は、各々の溶接金属部から加工した。粒界腐食試験は、1g/LのCr(VI)イオンを含む8規定の沸騰硝酸溶液中で行った。比較材は、EHP合金に比べ激しい粒界腐食が生じた。SCC感受性を評価するためのCBB試験を561K, 1000h,飽和酸素の高温水中で行った。比較材の割れと粒界腐食は、EHP合金に比べ発生数、サイズとも非常に大きかった。オーバーレイ材料として使用する場合でも、従来材に比べ、EHP合金は優れたSCC抵抗性があることが確認された。

論文

先進再処理機器用の超高純度(EHP)ステンレス鋼の開発

井岡 郁夫; 木内 清; 中山 準平*

まてりあ, 49(3), p.122 - 124, 2010/03

再処理施設においては、沸騰状態の濃硝酸を用い、酸化性の強い核分裂生成物(FP)などを含有するために極めて厳しい腐食環境になることが知られている。海外での腐食事例や国内で運転経験を経て、構造材には極低CのSUS304ULC鋼が開発された。先進再処理施設では、現行のものよりも多くのFP等を含有する使用済核燃料を扱うことが予測され、腐食環境はますます厳しいものになる。そのために、現行のSUS304ULC鋼に比べて、数倍以上の耐硝酸腐食性に優れる鋼材が必要となる。実機製造プロセスと材料の成分範囲を同時に考慮して、先進再処理機器用材料を目的とした、強酸化性環境で優れた耐食性を有する超高純度(EHP: Extra High Purity)ステンレス鋼を開発した。本報では、EHP合金の実用化の現状について紹介する。

論文

Correlation between intergranular corrosion and impurities of extra high purity austenitic stainless steels

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 本岡 隆文; 木内 清; 中山 準平*

Journal of Power and Energy Systems (Internet), 4(1), p.105 - 112, 2010/02

再処理施設の沸騰硝酸環境において、粒界腐食はオーステナイト・ステンレス鋼の重大な劣化事象である。粒界腐食の主要因は、結晶粒界への不純物元素の偏析が原因と考えられている。新たな複合溶製技術により、全有害不純物を100ppm以下に抑えた超高純度(EHP:Extra High Purity)オーステナイト・ステンレス鋼を開発した。C, P, S, B等の不純物元素を添加したEHP合金を作製して、粒界腐食と不純物元素量の相関性を調べた。得られた結果を重回帰分析し、粒界腐食に及ぼす不純物元素の影響度を示した。その結果、B, P, Si, C, Sの順に粒界腐食に大きな影響を与え、Mnの影響は少なかった。

論文

Influence of impurities on intergranular corrosion of extra high purity austenitic stainless steels

井岡 郁夫; 鈴木 潤; 本岡 隆文; 木内 清; 中山 準平

Proceedings of 17th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-17) (CD-ROM), 5 Pages, 2009/06

再処理施設の沸騰硝酸環境において、粒界腐食はオーステナイトステンレス鋼の重大な劣化事象である。粒界腐食の主要因は、結晶粒界への不純物元素の偏析が原因と考えられている。新たな複合溶製技術により、全有害不純物を100ppm以下に抑えた超高純度(EHP: Extra High Purity)オーステナイトステンレス鋼を開発した。C, P, S, B等の不純物元素を添加したEHP合金(Fe-25Cr-20Ni-Ti)を作製して、粒界腐食と不純物元素量の相関性を調べた。不純物元素を添加しないEHP合金では粒界腐食は観察されなかったが、不純物添加EHP合金では粒界腐食を生じた。得られた結果の重回帰分析より、粒界腐食と不純物元素量の回帰式を求め、粒界腐食に及ぼす不純物元素の影響度を示した。

論文

革新的水冷却炉用燃料被覆管のための熱変形挙動評価試験法

石島 暖大; 井岡 郁夫; 木内 清; 金子 哲治*; 大久保 努; 山本 正弘

圧力技術, 47(1), p.12 - 17, 2009/01

次期軽水炉として研究開発が行われている革新的水冷却炉(FLWR)の燃料被覆管は、温度分布,構造荷重及び内圧が定常的に変化する環境に晒される。そこで、この燃料被覆管の耐久性を評価するため上記条件を同時に制御可能な熱変形挙動評価試験法を開発し、ジルカロイ-2に対して試験を行うとともに、試験条件を模擬した構造解析結果と比較することで試験法の妥当性を確認した。試験時間中の変形量は、内圧,外力,温度分布を与えることで変動し、実機の条件に極めて近いデータが得られることがわかった。また、弾性範囲内で計算した変形量の予測結果とも一致し、熱変形挙動評価試験法の妥当性が確認された。

論文

Intergranular corrosion for extra high purity austenitic stainless steel in boilng nitric acid with Cr(VI)

井岡 郁夫; 加藤 千明; 木内 清; 中山 準平

Journal of Power and Energy Systems (Internet), 3(1), p.31 - 37, 2009/00

オーステナイトステンレス鋼は、酸化剤を含む沸騰硝酸中で粒界腐食感受性が高まる。粒界腐食の主因は、結晶粒界での不純物の偏析と考えられている。有害不純物を100ppm以下に低減できる複合製錬技術を用いて、超高純度オーステナイトステンレス鋼(EHP合金)を開発した。開発したSUS310系EHP合金について、酸化剤を含む沸騰硝酸中での腐食特性を調べた。加工熱処理(SAR処理)したSUS310系EHP合金は、同じ不純物量の溶体化(ST)材に比べ優れた耐粒界腐食性を示した。フィッショントラック法により、ST材において粒界でのボロンの偏析が確認された。ボロンの粒界偏析が、粒界腐食の原因の一つであることが考えられる。また、ボロンを7ppm含むSUS310系EHP合金でも、提案したSAR処理により粒界腐食を抑制できることを示した。

論文

Effects of $$gamma$$-ray irradiation on the high temperature oxidation of austenitic stainless steel in supercritical water

中原 由紀夫; 山本 正弘; 唐澤 英年*; 木内 清; 勝村 庸介*

Proceedings of 16th Pacific Basin Nuclear Conference (PBNC-16) (CD-ROM), 6 Pages, 2008/10

3種類の汎用オーステナイト系ステンレス鋼,304L,316L、及び310Sを、25MPa, 550$$^{circ}$$Cの脱気超臨界水中へCo$$^{60}$$にて$$gamma$$線照射を行いながら合計1000時間浸漬した。超臨界水中での吸収線量率を評価した結果、5$$sim$$15kGyh$$^{-1}$$だった。試験後の表面には多孔質の鉄酸化物の外層と鉄,クロム及びニッケルを含むち密な内層とによって構成される二層の酸化皮膜が形成されていた。SS304LとSS310Sの見かけの重量変化は放物線則に従い、その速度定数は$$gamma$$線の線量率が大きくなるに従って減少した。$$gamma$$線照射により、皮膜外層がマグネタイト(Fe$$_{3}$$O$$_{4}$$)からヘマタイト(Fe$$_{2}$$O$$_{3}$$)に変化した。また、$$gamma$$線照射により、内層皮膜と金属界面でCr濃度の増加が見られた。これらの結果は、$$gamma$$線照射により過酸化水素などが生成し超臨界水環境がより高酸化状態になっていることを示唆するもので、腐食環境が$$gamma$$線照射により厳しくなることを明らかにした。

論文

Susceptibility of intergranular corrosion for extra high purity austenitic stainless steel in nitric acid

井岡 郁夫; 加藤 千明; 木内 清; 中山 準平

Proceedings of 16th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-16) (CD-ROM), 5 Pages, 2008/05

オーステナイトステンレス鋼は、再処理プロセスにおける酸化剤を含む沸騰硝酸中で粒界腐食感受性が高まる。粒界腐食の主因は、結晶粒界での不純物の偏析と考えられている。有害不純物を100ppm以下に低減できる複合製錬技術を用いて、超高純度オーステナイトステンレス鋼(EHP合金)を開発した。開発したSUS310系EHP合金の酸化剤を含む沸騰硝酸中での腐食特性を調べ、優れた耐粒界腐食性を有することを確認した。また、フィッショントラック法により、粒界でのボロンの偏析が粒界腐食の要因の一つであることを明らかにした。ボロンを7ppm含むSUS310系EHP合金でも、提案した加工熱処理(SAR処理)により粒界腐食を抑制できることを示した。

論文

低圧酸素中の耐食合金の高温酸化に及ぼす低速電子励起効果とCrの役割

小河 浩晃; 木内 清

表面技術, 58(9), p.543 - 549, 2007/09

照射下で促進される原子力システム構造材の酸化機構をrf低温プラズマ源を備えた熱天秤を使って基礎的に調べた。Cr濃度の異なる6材料、Fe-Ni合金,低Cr鋼,ステンレス鋼(2種),Ni基合金,純Crを実験に使用した。酸素雰囲気中の低温プラズマと熱平衡型の酸化挙動の違いは、873K,20時間で評価した。酸化挙動は、in-situ重量測定とX線光電子分光法(XPS)による表面分析で解析した。熱平衡型では、重量増加は、Cr含有量の増加とともに軽減した。一方、重量減少は、高励起条件下にある低温プラズマ中で高Cr量材で観測された。酸化挙動を表面に形成した揮発性CrO$$_{3}$$の昇華速度と材料基盤中への酸素原子の浸透速度を考慮した機構モデルによって解析し、実験結果と良い一致が認められた。

報告書

硝酸溶液中のステンレス鋼の腐食に及ぼすネプツニウムイオンの影響

本岡 隆文; 石川 明義; 沼田 正美; 遠藤 慎也; 糸永 文雄; 木内 清; 木崎 實

JAEA-Research 2007-031, 20 Pages, 2007/03

JAEA-Research-2007-031.pdf:2.0MB

硝酸溶液中のステンレス鋼の腐食に及ぼすネプツニウムイオンの影響を腐食試験により評価した。9規定硝酸溶液にネプツニウムイオンを含有する試験液を用いて、SUS304L鋼の試験材を浸漬及び伝熱条件で腐食試験を実施した。その結果、ネプツニウムイオンによりステンレス鋼の腐食が促進されることを見いだした。この知見は、再処理プロセスにおける材料の検討に資されると期待される。

論文

湿式再処理における材料技術開発

木内 清

日本原子力学会誌, 48(11), p.871 - 876, 2006/11

核燃料サイクル技術として、高燃焼度のMOX燃料を対象とする再処理技術には、現行の商業再処理に採用しているピュレックス法の湿式再処理技術の高性能化が最も有望である。その技術開発では、主要機器に用いる耐硝酸性材料技術の開発が重要な研究課題となる。これまでの使用済燃料に対応した耐硝酸性合金の開発の経緯や現行機器における技術的課題を整理するとともに、今後一層の耐硝酸性が要求される再処理機器に対応した高性能材料技術の現状について概観した。

報告書

高性能燃料被覆管材質の研究; 平成13$$sim$$17年度(フェーズ2)報告書(共同研究)

木内 清; 井岡 郁夫; 田邉 誠*; 南条 吉保*; 小河 浩晃; 石島 暖大; 塚谷 一郎; 落合 孝正; 木崎 實; 加藤 佳明; et al.

JAEA-Research 2006-023, 173 Pages, 2006/03

JAEA-Research-2006-023.pdf:20.51MB

本報告は、将来の核燃料サイクル技術として、BWRでのMOX燃料の有効利用,経済性向上と廃棄物の低減を同時に達成するための100GWd/t級の超高燃焼度BWR用の高性能燃料被覆管材質の研究フェーズ2として、平成13$$sim$$17年度の5年間に実施した共同研究の成果である。本研究のフェーズ2では、フェーズ1で選定した超高純度UHPとSAR加工熱処理の仕様を持つ25Cr-35Ni-0.2Ti系改良ステンレス鋼製の被覆管と、Nb-Mo系合金製の耐PCIライナを用いた燃料要素の実用製造技術として、被覆管の製管工程,ライナの動的拡散接合技術及び端栓のレーザ溶接法等を開発した。それらの実環境適用性の基礎評価では、加速器TIARAや研究炉JRR-3を利用した照射試験等を行い、現行BWR炉心用の低炭素ステンレス鋼の重要課題である応力腐食割れに対する抵抗性を含む耐照射性を確認するとともに、長期耐久性にかかわるクリープや疲労の特性データを取得した。併せて、候補材の100GWd/t級の燃料被覆管としての成立性に関して、燃料安全性の観点からBWR燃料ふるまいコードを用いた数値解析を行い、燃料設計や基礎工学試験に必要な基盤データベースを整備した。

論文

Excitation behavior of rare gases in low-energy plasma

小河 浩晃; 木内 清

Nuclear Science and Engineering, 152(2), p.236 - 241, 2006/02

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

Xeのような重元素希ガスは、核分裂生成物として、核燃料の高燃焼度化に伴い大量に生成される。照射効果によって励起された重元素希ガスと低エネルギー電子間の相互作用は、そのガス放出機構を理解するうえで、また、放射性核分裂生成物の回収法を開発するうえで、非常に重要となる。本研究では、RF式の開放型及び密閉型の2種類の低エネルギープラズマ試験装置を準備した。開放型の電子密度は、各希ガスのイオン化エネルギーの増加に伴い増加した。しかし、重元素希ガス(Ar, Kr, Xe)の密閉型の電子密度は、軽元素希ガス(Ne, He)の電子密度と比較して三桁以上増加した。その違いは、密閉型では、マルチスパッタリング効果によって壁表面で生成した低エネルギー電子とその運動量移行断面積に基づいたものであると解釈される。

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