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報告書

沸騰水型軽水炉炉内構造物用オーステナイト系ステンレス鋼の照射データに関する文献調査とデータ集の作成(受託研究)

笠原 茂樹; 福谷 耕司*; 越石 正人*; 藤井 克彦*; 知見 康弘

JAEA-Review 2018-012, 180 Pages, 2018/11

JAEA-Review-2018-012.pdf:10.71MB

軽水炉の炉内構造物については、構造材料であるオーステナイト系ステンレス鋼の中性子照射による経年劣化を評価・予測した上で、健全性評価を行う必要がある。そのためにはステンレス鋼の物性値の照射量依存性等の知見が不可欠である。照射材の物性の代表値や最確値等を議論するには既往データの整理が有効であり、その際、炉内構造物の使用条件が異なる沸騰水型軽水炉(BWR)と加圧水型軽水炉を明確に区別し取り扱うことが重要である。本調査では、照射ステンレス鋼の材料特性を評価した公開文献を網羅的に収集し、データ集を作成した。作成にあたっては、BWRに相応する温度や中性子照射等の条件をスクリーニングの基準として照射データを抽出するとともに、化学成分, 加工熱処理等の材料条件, 照射条件及び試験条件を調査した。これらのデータを物性値ごとにデータシートへ収録し、データ集として整備した。

論文

Evaluation of crack growth rates and microstructures near the crack tip of neutron-irradiated austenitic stainless steels in simulated BWR environment

知見 康弘; 笠原 茂樹; 瀬戸 仁史*; 橘内 裕寿*; 越石 正人*; 西山 裕孝

Proceedings of 18th International Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems - Water Reactors, Vol.2, p.1039 - 1054, 2018/00

照射誘起応力腐食割れ(IASCC)による亀裂進展挙動を理解するため、中性子照射したオーステナイト系ステンレス鋼の亀裂進展試験を実施して亀裂進展速度を評価し、亀裂先端における変形組織と酸化皮膜に着目したミクロ組織観察を実施した。供試材は12$$sim$$14dpaまで中性子照射した316Lステンレス鋼で、BWR模擬水質環境(約288$$^{circ}$$C)下で亀裂進展試験を行った。また亀裂進展試験後、FEG-STEMを用いて亀裂先端のミクロ組織を観察した。試験の結果、腐食電位(ECP)の低減による亀裂進展抑制効果は、文献で示されている約2dpa以下の損傷量の低い材料と比較して顕著ではなかった。また1000時間以上高温水中に浸漬し、高ECPと低ECPの双方の環境に置かれた試験片の亀裂内には酸化物形成が認められたが、低ECP条件下のみを経験した亀裂先端近傍には酸化皮膜の形成がほとんど認められなかった。さらに、亀裂先端近傍には変形に伴う双晶組織が高密度に形成していた。これらの結果より、高損傷量のステンレス鋼の亀裂進展挙動において、局所変形と酸化が支配的な因子であることが示唆された。

論文

Influence of temperature histories during reactor startup periods on microstructural evolution and mechanical properties of austenitic stainless steel irradiated with neutrons

笠原 茂樹; 橘内 裕寿*; 知見 康弘; 茶谷 一宏*; 越石 正人*; 西山 裕孝

Journal of Nuclear Materials, 480, p.386 - 392, 2016/11

 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

BWR炉内構造物用オーステナイト系ステンレス鋼の中性子照射温度は、炉の起動時に室温近傍から約290$$^{circ}$$Cに遷移するのに対し、近年のJMTRを用いたBWR模擬照射では、150$$^{circ}$$C程度まで昇温した後に照射を開始する制御方法が採用されている。このような温度履歴の違いがステンレス鋼のミクロ組織変化と機械的特性に及ぼす影響を検討するため、BWR起動時の温度履歴を模擬したJMTR照射材と昇温後に照射を開始した材料に対して、290$$^{circ}$$Cでの引張試験、室温でのビッカース硬さ試験、及びFEG-TEMを用いたミクロ組織観察を行った。その結果、温度履歴の相違は格子間原子クラスターの形成に影響し、特にBWR温度履歴模擬材のフランクループ径は昇温後に照射した場合に比べて大きいことが判った。また温度履歴の相違の影響は、0.2%耐力と硬さの上昇よりもひずみ硬化能と延性低下において明確に観察された。以上の結果から、原子炉起動時の温度履歴の相違は損傷量1 dpa以上のステンレス鋼においても認められ、特にフランクループとマクロな変形挙動の関係を考慮する必要性が示唆された。

論文

Correlation between locally deformed structure and oxide film properties in austenitic stainless steel irradiated with neutrons

知見 康弘; 橘内 裕寿*; 笠原 茂樹; 茶谷 一宏*; 越石 正人*; 西山 裕孝

Journal of Nuclear Materials, 475, p.71 - 80, 2016/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:76.09(Materials Science, Multidisciplinary)

中性子照射したオーステナイト系ステンレス鋼の高温水中での照射誘起応力腐食割れ(IASCC)機構を理解するため、局所変形組織とその上に生成された酸化皮膜、及びそれらの相関について調べた。照射した316Lステンレス鋼から製作した引張試験片に室温または563Kで0.1%$$sim$$2%のひずみを与え、表面組織と結晶粒の局所方位差を評価した。ひずみ付与試験片を高温水中に浸漬し、局所変形領域上に生成された酸化皮膜のミクロ組織を観察した。表面ステップ組織は、中性子照射量及び付与ひずみ量に依存して変化した。粒界近傍での表面酸化皮膜は、中性子照射量及び粒界での局所的なひずみの増加に伴って厚くなる傾向が見られた。粒界や表面ステップに沿って優先的に酸化が進む様子は見られなかった。

論文

CGR behavior of low carbon stainless steel of hardened heat affected zone in PLR piping weld joints

安藤 昌視*; 仲田 清智*; 伊藤 幹朗*; 田中 徳彦*; 越石 正人*; 小畠 亮司*; 三輪 幸夫; 加治 芳行; 早川 正夫*

Proceedings of 13th International Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems (CD-ROM), 16 Pages, 2007/00

実機PLR配管を模擬した溶接継ぎ手から作製したSUS316NG鋼の試験片を用いて、BWR環境を模擬した水中で長期間の応力腐食割れ進展試験を行った。試験片は溶接部過程での熱収縮により硬化した熱影響部から作製し、そのような部位での傷の進展挙動を評価するための応力腐食割れ進展速度線図を得ることを目的とした。鍛造管材と引き抜き管材の溶接継ぎ部が、幾つかの溶接方法で作成した。得られた応力腐食割れ進展速度は、溶体化熱処理材から得られた進展速度よりも速くなった。硬化したSUS316NGのき裂進展速度は、材料や溶接方法によらず、硬さと関連性を持っていた。硬さが210から250Hvの範囲では、き裂進展速度は硬さの増加とともに大きくなった。低炭素ステンレス鋼の硬化した熱影響部で応力腐食割れ進展速度が加速される機構は、き裂先端のひずみ分布及びAFM画像に基づいて推定された。き裂先端での塑性ひずみ勾配と粒界に沿った局所的ひずみの相互作用が重要であると予想された。

口頭

SCCき裂先端近傍の変形挙動解析,3; EBSP法による塑性変形解析

加治 芳行; 三輪 幸夫; 塚田 隆; 長島 伸夫*; 早川 正夫*; 安藤 昌視*; 仲田 清智*; 越石 正人*

no journal, , 

国内の沸騰水型軽水炉(BWR)の低炭素ステンレス鋼製の炉心シュラウド及び再循環系(PLR)配管の溶接部近傍に応力腐食割れ(SCC)が多発しており、同鋼のSCC機構の解明が求められている。本研究ではSCC機構に及ぼすき裂先端塑性変形挙動の影響を検討するため、後方散乱電子線回折パターン(EBSP)法によりSCCき裂先端の塑性変形挙動の解析を実施した。その結果、SCCき裂は、疲労予き裂から45$$^{circ}$$程度傾いた方向に分岐しながら結晶粒界を進展しており、主としてランダム粒界を進展していた。き裂から1結晶粒程度のき裂の極近傍での塑性変形量は、10$$sim$$20%程度と大きな値を示した。また、SCCき裂の両側の塑性変形量は不均等であり、一方の結晶粒で大きな塑性変形が観察される傾向が見られた。これらの結果から、SCCき裂進展は1結晶粒程度のき裂先端極近傍の塑性変形に律速されていることが推測された。

口頭

照射速度の影響を取り入れたSCC評価法の研究,1

沖田 泰良*; 越石 正人*; 橋本 素行*; 田中 重彰*; 児玉 光弘*; 近藤 啓悦; 塚田 隆

no journal, , 

経済産業省原子力安全・保安院高経年化対策基盤整備事業の一環として、軽水炉炉内構造材であるオーステナイトステンレス鋼の照射誘起応力腐食割れのき裂進展挙動に及ぼす照射速度の影響について検討を行った。本研究では、き裂進展速度データが既に取得されている実機材を用いて、照射硬化,ひずみ硬化指数,照射欠陥及び粒界偏析に関するデータを取得し、それらデータから既存のき裂進展モデル(FRIモデル)への入力パラメータを決定してき裂進展速度を計算し、実験値との比較を行った。その結果、照射硬化や照射誘起偏析に伴う耐食性の劣化をモデル計算にとり入れることによって、き裂進展速度実験データを説明できることを実証した。これらの検討の結果、照射の影響を反映したパラメータ選定によって、FRIモデルを照射材き裂進展計算に適用可能であることがわかった。

口頭

ステンレス鋼の機械的性質に及ぼす照射速度及び照射開始時の温度履歴の影響

笠原 茂樹; 知見 康弘; 西山 裕孝; 橘内 裕寿*; 茶谷 一宏*; 越石 正人*

no journal, , 

中性子照射開始時の温度履歴と照射速度の相違がステンレス鋼の照射効果に及ぼす影響を明らかにするため、JMTRで照射したSUS304及び316Lの機械的性質に着目し、ミクロ組織変化の観点から検討を行った。試験には照射温度約290$$^{circ}$$C、中性子照射量約5$$times$$10$$^{24}$$, 2$$times$$10$$^{25}$$n/m$$^{2}$$の照射ステンレス鋼を用いた。照射開始時の温度履歴の影響評価には、JMTRの出力に追随して昇温した照射材と、照射温度まで昇温した後中性子照射を開始した照射材を比較した。また照射速度の影響評価には、照射速度を約1/5とした照射材を用いた。その結果、JMTR照射材同士の比較においては、硬さ、引張特性並びにミクロ組織発達に及ぼす照射条件の相違の影響は顕著でないことがわかった。発表では、BWR炉内構造物の健全性評価に資するデータとしての適用性検討の一環として実施したBWR炉心照射材データとの比較(いわゆる照射相関)についても議論する。

口頭

中性子照射したオーステナイト系ステンレス鋼に形成する局所変形組織の評価

橘内 裕寿*; 笠原 茂樹; 知見 康弘; 西山 裕孝; 茶谷 一宏*; 越石 正人*

no journal, , 

中性子照射ステンレス鋼の高温水中応力腐食割れ(SCC)機構の検討に資することを目的として、照射ステンレス鋼に特有な局所変形組織形成が表面の酸化皮膜形成に及ぼす影響を検討中である。本報告では、JMTRで中性子照射した後に0.1-2%のひずみを付与したSUS316Lの表面に発現した変形組織に着目し、走査型電子顕微鏡(SEM)及び電子線後方散乱回折法(EBSD)を用いて、局所的な結晶方位の変化について観察・評価した。その結果、照射量及びひずみ付与量に応じて試験片表面にすべり線状の段状組織の形成が認められ、結晶粒界に局所的なひずみ蓄積が示唆される結果が得られた。発表では、すべり線状の組織に着目し、その発現形態・密度等と照射量・ひずみ付与量等との相関について議論する。

口頭

中性子照射したオーステナイトステンレス鋼における局所変形組織と酸化皮膜

橘内 裕寿*; 笠原 茂樹; 知見 康弘; 西山 裕孝; 茶谷 一宏*; 越石 正人*

no journal, , 

照射誘起応力腐食割れ(IASCC)機構の検討に資することを目的として、照射ステンレス鋼に特有な局所変形組織とその表面に形成した酸化皮膜を詳細観察した。JMTRで中性子照射したSUS316Lにひずみを与え、表面組織の変化と局所的な結晶方位の変化について走査型電子顕微鏡(SEM)及び電子線後方散乱回折法(EBSD)を用いて観察・評価した。さらに、ひずみ付与した試験片を高温水中に浸漬し、浸漬前の表面分析結果を参考に観察位置を選定して表面に生成された酸化皮膜をSEM及びエネルギー分散型X線分析器(EDX)を用いて観察・組成分析した。その結果、照射量及びひずみ付与量に応じて試験片表面にステップ状の組織の形成が認められ、結晶粒界に局所的なひずみ蓄積が示唆される結果が得られた。また、照射ステンレス鋼表面に生成された酸化皮膜は非照射材よりも厚くなる傾向が見られた。発表では、表面ステップの発現について定量的に評価するとともに、照射ステンレス鋼の応力-ひずみ曲線で見られる降伏点降下との相関について議論する。

口頭

中性子照射ステンレス鋼の硬さに及ぼす照射開始時の温度履歴の影響

笠原 茂樹; 知見 康弘; 西山 裕孝; 橘内 裕寿*; 茶谷 一宏*; 越石 正人*

no journal, , 

軽水炉炉内構造物の健全性評価研究では、材料試験炉で中性子照射した供試材が広く活用されている。一方これら照射材データの利用にあたり、その妥当性評価の一環として、中性子照射条件の相違が材料特性に及ぼす影響(いわゆる照射相関)に着目した機構論的な検討が必要である。そこで、JMTRでの照射開始時における温度履歴が中性子照射したSUS304の硬さとミクロ組織発達に及ぼす影響に着目し、評価を行った。試験には照射温度約290$$^{circ}$$C、中性子照射量中性子照射量約5$$times$$10$$^{24}$$, 2$$times$$10$$^{25}$$n/m$$^{2}$$の照射材を用いた。なお照射開始時の温度履歴の影響評価のため、供試材として、JMTRの出力に追随して昇温したものと、照射温度まで昇温した後中性子照射を開始したものを用いて比較した。その結果、今回着目した照射条件の相違が硬さとミクロ組織発達に及ぼす影響は顕著でないことがわかった。

口頭

Effects of environmental mitigation and water radiolysis on crack growth in simulated BWR environment in highly irradiated 316L stainless steel

知見 康弘; 笠原 茂樹; 端 邦樹; 西山 裕孝; 瀬戸 仁史*; 茶谷 一宏*; 橘内 裕寿*; 越石 正人*

no journal, , 

高照射材料に対する照射誘起応力腐食割れ(IASCC)進展挙動において、環境緩和効果及び放射化した材料からの$$gamma$$線による水の放射線分解の影響を調べるため、JMTRで約12dpaまで中性子照射した316Lステンレス鋼試験片及びその焼鈍熱処理試験片を用いて、BWR模擬水質環境(約290$$^{circ}$$C高温水)中でき裂進展試験を実施した。試験水質について、腐食電位(ECP)を脱気及び水素注入で低下させることにより、高照射量, 高応力拡大係数(K値)の条件でも、き裂進展速度は1桁程度低下した。この結果は、材料・応力条件が厳しい場合でも環境緩和効果が見られることを示している。発表では、低K値条件や焼鈍熱処理材について破面補正前の暫定的なき裂進展速度データも示し、き裂進展速度への水の放射線分解の影響について議論する。

口頭

Evaluation of crack growth rates and microstructures near crack tip of neutron-irradiated 316L stainless steels in simulated BWR environment

知見 康弘; 笠原 茂樹*; 西山 裕孝; 瀬戸 仁史*; 茶谷 一宏*; 橘内 裕寿*; 越石 正人*

no journal, , 

照射誘起応力腐食割れ(IASCC)進展挙動を理解するため、中性子照射した316Lステンレス鋼試験片を用いて、BWR模擬水質環境(約290$$^{circ}$$C高温水)中でき裂進展試験を実施し、試験片のき裂先端近傍での酸化皮膜特性及び変形組織について透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて調べた。試験供給水の脱気及び水素注入により腐食電位(ECP)を低下させることで、き裂進展速度の低下とともに、き裂内での酸化が抑制されている様子が観察された。発表では、き裂進展に伴う変形組織の観察結果も示し、き裂進展速度と酸化皮膜特性、変形組織の関係について議論する。

口頭

Relationship between crack growth rates and locally deformed structures in irradiated 316L stainless steels

知見 康弘; 笠原 茂樹; 西山 裕孝; 瀬戸 仁史*; 橘内 裕寿*; 越石 正人*

no journal, , 

照射誘起応力腐食割れ(IASCC)進展挙動を理解するため、中性子照射した316Lステンレス鋼コンパクトテンション試験片を用いて、BWR模擬水質環境(約288$$^{circ}$$C)中でき裂進展試験を実施した。さらに、中性子照射した316Lステンレス鋼引張試験片にひずみを付加した後、変形組織について透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した。その結果、低照射量領域($$<sim$$1.9dpa)では、き裂進展速度に環境緩和効果が見られ、変形組織は転位が絡み合ったものであった。一方、高照射量領域($$>sim$$2.7dpa)では、き裂進展速度の環境緩和効果が小さく、変形組織は主に転位チャンネルからなるものであった。き裂進展挙動と変形組織の関係から、IASCC進展機構に関して議論する。

口頭

中性子照射ステンレス鋼のIASCC感受性に及ぼす照射開始時の温度履歴の影響

笠原 茂樹; 知見 康弘; 橘内 裕寿*; 越石 正人*

no journal, , 

BWR一次系模擬高温水中での低ひずみ速度引張(SSRT)試験の既往知見によると、BWR炉心で3dpa程度まで中性子照射された低炭素ステンレス鋼は照射誘起応力腐食割れ(IASCC)感受性を有するが、JMTR照射ステンレス鋼では照射量によらず粒界破面は生じないとされている。この相違の検討に資するため、BWRの起動時の温度履歴を模擬した条件で約3dpaまでJMTRで照射したSUS316LのSSRT試験を実施した。SSRT試験後の破面SEM観察の結果、粒界破面が確認された。既往のJMTR材を使ったIASCC感受性評価研究では、JMTRの起動時に予め昇温した後に照射を開始した供試材を用いており、照射開始時の温度履歴が粒界破面の発現に影響したことが示唆される。この結果を受け、照射開始時の昇温条件が異なる照射材の引張特性評価結果を踏まえた上で、IASCC感受性と引張特性パラメータの関連について検討した。

口頭

軽水炉炉内構成材料の照射特性に関するデータ調査と傾向分析,3; IASCC亀裂進展と破壊靱性

笠原 茂樹; 福谷 耕司*; 知見 康弘; 藤井 克彦*; 越石 正人*

no journal, , 

軽水炉炉内構造物用ステンレス鋼を対象に照射特性に関する国内外の文献を広範に調査して取りまとめ、BWR一次系水模擬環境下での304L及び316Lステンレス鋼の亀裂進展速度データを用いて、亀裂進展速度と応力拡大係数の関係(da/dt=A・K$$^{n}$$)に及ぼす中性子照射量の影響を検討した。その結果、応力拡大係数の指数nは照射量の増加とともに減少、飽和する傾向が認められ、照射量の増加に伴って亀裂進展速度の応力拡大係数依存性は小さくなることがわかった。また、破壊靭性データの照射量依存性を検討し、10dpa程度でほぼ飽和する傾向式を得た。

口頭

オーステナイト系ステンレス鋼の高温水中における亀裂進展速度の中性子照射量依存性傾向式の検討

笠原 茂樹; 福谷 耕司*; 知見 康弘; 藤井 克彦*; 越石 正人*

no journal, , 

軽水炉の炉内構造物用オーステナイト系ステンレス鋼の亀裂進展速度と応力拡大係数の相関への中性子照射の影響評価の一環として、BWR通常一次系水(NWC)及び水素注入(HWC)模擬環境下での照射ステンレス鋼の亀裂進展速度の傾向式を構築した。傾向式の検討に当たっては、試験結果の一次情報に遡って精査可能な公開文献に記載された亀裂進展速度, 応力拡大係数及び中性子照射量等のデータを用いた。NWC及びHWCそれぞれの傾向式より、NWCでの亀裂進展速度は照射量3dpaまでに大きく増加して飽和する傾向を示すこと、HWCでの亀裂進展速度の照射量依存性はNWCに比べて緩やかでかつ低い値で飽和する傾向を示すことが判った。

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