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報告書

「もんじゅ」高度化炉心及び実証炉用のBDI挙動評価,1; 太径ピン仕様炉外バンドル圧縮試験計画等

市川 正一; 芳賀 広行; 勝山 幸三; 上羽 智之; 前田 宏治; 西野入 賢治

JAEA-Testing 2012-001, 36 Pages, 2012/07

JAEA-Testing-2012-001.pdf:11.48MB

高速炉の炉心燃料集合体の寿命を制限する要因の一つとして、燃料ピン束(バンドル)とダクト(ラッパ管)との相互作用(BDI: Bundle-Duct Interaction)が挙げられる。著しいBDIが発生した場合、燃料ピンとダクトの間隔が狭くなる結果(冷却材流路断面積の減少)、被覆管表面積の局所的な温度上昇、機械的接触による応力等により、燃料ピンが変形又は破損する可能性がある。このためBDI挙動を精度よく予測する手法の確立が高速増殖炉の実用化に向けての燃料設計課題の一つとして重要視されている。これまでの炉外バンドル圧縮試験では高速増殖原型炉もんじゅの集合体で使用される$$phi$$6.5mm等の中実燃料ペレット用細径ピンを対象としてきた。さらに「もんじゅ」高度化炉心や実証炉心では中空燃料ペレットが装荷された太径ピンの採用が想定されており、従来の細径ピン主体の炉外バンドル圧縮試験結果からは外挿が困難な太径ピンのBDI挙動データを得るため、太径ピン仕様の炉外バンドル圧縮試験は必要である。本報告では、太径ピンを対象とした炉外バンドル圧縮試験計画、試験手順及び詳細について報告する。

報告書

キャプセル型照射リグの組立技術の確立

市川 正一; 阿部 和幸; 芳賀 広行; 梶間 久司*; 桜井 智*; 勝山 幸三; 前田 宏治; 西野入 賢治

JAEA-Technology 2011-032, 46 Pages, 2012/01

JAEA-Technology-2011-032.pdf:8.46MB

新たに設計製作されたキャプセル型照射リグに対して、遠隔操作による照射リグの組立,解体及び再組立に関連する一連の組立技術を確立した。本技術をMA含有MOX燃料ピンの照射試験で使用するPFB110(B11(1), B11(2))及びPFB140(B14)の各照射リグの組立,解体に適用し、これ等を達成した。B11(2)の組立においては、部材準備期間の短縮,費用の圧縮,放射性廃棄物の大幅低減を目的とした「シャトル照射」計画を実現するため、B11(1)の照射済み部材を再利用した。本報では、B11(1)の組立,解体及びB11(2)の再組立にて報告するとともに、B11(1)の組立技術を改良したB14の組立について報告する。

論文

Interrelationship between true stress-true strain behavior and deformation microstructure in the plastic deformation of neutron-irradiated or work-hardened austenitic stainless steel

近藤 啓悦; 三輪 幸夫; 塚田 隆; 山下 真一郎; 西野入 賢治

Journal of ASTM International (Internet), 7(1), p.220 - 237, 2010/01

軽水炉内構造材料であるオーステナイト系ステンレス鋼の照射誘起応力腐食割れ機構解明のため、中性子照射したステンレス鋼に特有な変形機構となる転位チャネリングが、材料のマクロな塑性変形挙動に及ぼす影響について詳細な検討を行った。照射したステンレス鋼は延性が低下し加工硬化指数が減少することが報告されている。しかし、中性子照射材の引張試験における真応力-真ひずみ曲線を解析すると、照射によって降伏応力は増加するが加工硬化指数は照射前後で変化することはなかった。同様なマクロ特性の変化は非照射温間加工材においても見られた。一方で、塑性不安定開始直前のミクロ組織を観察した結果、照射材では転位チャンネル構造,非照射材においては転位セル構造であることがわかった。加工硬化は材料中を動く転位同士の切り合いが重要な因子であるが、この異なるミクロ組織であっても転位同士が互いの運動の抵抗になるミクロ変形機構には変化がなかったことが、加工硬化挙動が照射前後で変化しなかった原因であると考えられた。

口頭

高速炉用PNC316被覆管の短時間強度特性の評価

井上 利彦; 小川 竜一郎; 赤坂 尚昭; 西野入 賢治

no journal, , 

日本原子力研究開発機構が高速炉用の被覆管として開発したPNC316材の照射試験を行い、短時間強度特性を評価したので報告する。照射試験は、高速実験炉「常陽」において、照射温度570$$sim$$730$$^{circ}$$C、中性子照射量は約25$$times$$10$$^{26}$$n/m$$^{2}$$(E$$>$$0.1MeV)の範囲で行った。引張強さは、これまで実施している約5$$sim$$20$$times$$10$$^{26}$$n/m$$^{2}$$(E$$>$$0.1MeV)の試験結果と同等で、中性子照射量の増加に対しても低下は認められなかった。また、急速加熱強度(周応力と破裂温度の関係)は、高速原型炉で想定している使用制限値(周応力: 69MPa,破裂温度: 830$$^{circ}$$C)よりも安全側に位置しており必要とする強度を満足していた。

口頭

Irradiation effect on microstructure of modified SUS316 stainless steel cladding irradiated at elevated temperature to high dose

山下 真一郎; 赤坂 尚昭; 西野入 賢治; 高橋 平七郎

no journal, , 

原子力機構では高速炉高燃焼度炉心用材料として改良SUS316鋼(PNC316)を開発した。PNC316とは16Cr-14Ni-2.5Mo-0.25P-0.004B-0.1Ti-0.1Nbの化学組成のもので、通常冷間加工度20%の条件で用いられる。照射特性評価のため、これらPNC316被覆管については、現在までに温度775$$sim$$905Kで最大照射量125dpaまでの照射試験を継続して行ってきている。本研究では、照射後試料の微細組織について注意深く詳細に評価した。針状析出物の幾つかを含む低倍像からは、析出物界面に付着する多くのヘリウムバブルが確認された。一方で、針状析出物の代表的な高分解能組織写真(数十nm長で数nm幅)からは、面心立方格子構造(FCC)の母相と析出物に明確な界面構造が示された。電子回折図形及び高分解能像解析の結果から、この特徴的な析出物はFe$$_{2}$$P型析出物であると同定された。TEM観察結果をベースに総合考察すると、PNC316内部に安定なリン化物が形成することで、これらリン化物がヘリウムバブルの効果的なトラップサイトとして作用し、バブル-ボイド変換期を遅らせていることで、優れた耐照射特性が発現しているものと考えられる。

口頭

Transient burst techniques and results of the examination for irradiated PNC316 steel

西野入 賢治; 赤坂 尚昭; 小川 竜一郎; 井上 利彦

no journal, , 

高速炉において、徐熱能力低下事象(LOF事象)下の燃料被覆管の変形挙動や強度を評価することは安全上重要な評価項目である。LOF事象における第1次熱ピークでの被覆管挙動を評価するために急速加熱バースト試験を行った。供試材は高速実験炉「常陽」で照射されたPNC316鋼被覆管である。本報告では、急速加熱バースト試験技術と照射後試験結果を報告する。試験の結果、非照射材と比較すると照射材における破裂温度の著しい低下は認められなかった。

口頭

重照射した高速炉用改良SUS316鋼のスエリング挙動に及ぼす微細析出物の効果

山下 真一郎; 関根 学*; 舘 義昭; 赤坂 尚昭; 西野入 賢治; 高橋 平七郎

no journal, , 

PNC316は、耐照射性と高温特性を兼備した材料として高速実験炉「常陽」や高速原型炉「もんじゅ」などで使用されている。本外部発表は、高速実験炉「常陽」で継続的に実施してきた材料照射試験の中で、マクロな寸法変化が現れた試験片の変化前後の詳細なミクロ組織観察と解析の結果を紹介し、ミクロ組織変化とスエリング挙動の関係について検討を進めた結果を報告するものである。高速実験炉「常陽」での照射条件は、照射損傷量83.5$$sim$$125dpa,照射温度502$$sim$$628$$^{circ}$$Cであり、高分解能型と汎用型の二台の電子顕微鏡を用いてミクロ組織観察を、付随のエネルギー分散型X線分光装置(EDS)を用いて析出物等の成分分析を行った。ミクロ組織観察とEDS分析の結果から、マクロな寸法変化の前後ではボイド形成の分布状況に顕著な違いがあることが示された。また、リン化物に代表される微細な析出物が形成している照射条件範囲では、それらの界面がバブルやボイドの有効な捕獲サイトとして作用していることを改めて確認することができ、今後の照射下挙動のモデル化に必要な組織データベースを拡張することができた。

口頭

「常陽」にて照射したPNC1520鋼被覆管の引張強度特性評価

井上 利彦; 小川 竜一郎; 赤坂 尚昭; 西野入 賢治

no journal, , 

日本原子力研究開発機構が高速炉用被覆管として開発したPNC1520鋼を用いた照射試験(燃料ピン照射)を初めて行い、引張強度特性を評価したので報告する。照射試験は、高速実験炉「常陽」において、照射温度は400$$sim$$550$$^{circ}$$C、中性子照射量は約10$$times$$10$$^{26}$$n/m$$^{2}$$(E$$>$$0.1MeV)までの範囲で行った。引張強度特性は、これまで実施している15Cr-20Ni鋼やPNC316鋼における試験結果と同等であった。また、試験温度400$$sim$$450$$^{circ}$$Cでは、照射硬化による延性低下が認められた。本試験の結果、約10$$times$$10$$^{26}$$n/m$$^{2}$$域までのPNC1520鋼を用いた燃料ピンの健全性を確認した。

口頭

照射損傷評価のための磁束密度測定手法の改良

今野 将太郎; 高屋 茂; 永江 勇二; 山県 一郎; 小川 竜一郎; 赤坂 尚昭; 西野入 賢治

no journal, , 

磁束密度変化に基づく原子炉構造材料の照射損傷評価のために、対象物の表面に接触させるだけで局所的な着磁が可能な点状着磁器を新たに開発し、磁束密度測定手法の改良を行った。これにより、強磁性体を含め、適確に材料の磁気特性を把握することができ、かつ従来の着磁方法に比べ実機への適用の道すじを立てた。

口頭

「常陽」にて照射したPNC1520鋼被覆管の短時間強度特性評価

井上 利彦; 小川 竜一郎; 赤坂 尚昭; 西野入 賢治

no journal, , 

日本原子力研究開発機構が高速炉用の燃料被覆管として開発したPNC1520鋼を用いた照射試験(燃料ピン照射)を集合体レベルで初めて行い、短時間強度特性として引張試験と急速加熱バースト試験を実施した結果を報告する。照射試験は、高速実験炉「常陽」において、照射温度400$$sim$$550$$^{circ}$$C、中性子照射量は約10$$times$$10$$^{26}$$n/m$$^{2}$$(E$$>$$0.1MeV)までの範囲で行った。引張強さは、これまで高Ni材として実施した15Cr-20Ni鋼における約5$$times$$10$$^{26}$$n/m$$^{2}$$$$sim$$20$$times$$10$$^{26}$$n/m$$^{2}$$(E$$>$$0.1MeV)の試験結果と同等であった。急速加熱バースト特性では、15Cr-20Ni鋼と比較すると全試験応力下で破裂温度が低下する傾向を示した。

口頭

漏えい磁束密度による照射損傷評価のための測定技術の改良

今野 将太郎; 高屋 茂; 永江 勇二; 山県 一郎; 小川 竜一郎; 赤坂 尚昭; 西野入 賢治

no journal, , 

漏えい磁束密度の変化に基づく原子炉構造材料の照射損傷評価のために、対象物の表面に接触させるだけで局所的な着磁が可能な点状着磁器やその方法の開発、並びに磁束密度センサの較正方法の確立を行い、磁束密度測定技術の改良を行った。これにより、従来の方法では着磁が困難であった強磁性体を含め、適確に材料の磁気特性を把握することが可能となった。また、将来的に目指している実機の漏えい磁束密度の直接測定について、点状着磁器が有する特長のために、実機適用にあたっての制限の多くを除くことができた。

口頭

中性子照射したオーステナイト鋼のボイド組織分布に及ぼす粒界構造の効果

関尾 佳弘; 山下 真一郎; 吉武 庸光; 西野入 賢治; 高橋 平七郎*

no journal, , 

原子炉炉心材料(オーステナイト系ステンレス鋼)では、照射欠陥集合体の蓄積の結果として、ボイドスエリングや照射硬化が起こることが一般的に知られているが、これらの現象を引き起こす転位やボイドの形成過程がどの微細組織因子(シンクの種類等)の影響を受けているかなどについては十分に明らかにされていない。このようなことから、本研究ではオーステナイト系ステンレス鋼における粒界近傍での照射欠陥集合体、特にボイド組織の蓄積過程を明らかにするために、オーステナイト系ステンレス鋼の3元系モデル合金Fe-15Cr-15Niを用いて「常陽」で中性子照射を行い、照射後微細組織観察からボイド組織の蓄積過程と粒界構造との関係性の評価を行った。その結果、整合性の低いランダム粒界近傍にはボイド欠乏帯が形成し、整合性の高い対応粒界近傍には形成しないことが示され、粒界近傍のボイド組織の蓄積過程が粒界構造の違いによって変化することが明らかになった。また、高速炉炉心の実用材であるPNC316(SUS316の改良鋼)においても同様の評価を行い、Fe-15Cr-15Niと同様の関係性を示すことが明らかになった。

口頭

「常陽」照射した酸化物分散強化型(ODS)フェライト鋼被覆管の照射挙動評価

山下 真一郎; 矢野 康英; 大塚 智史; 皆藤 威二; 赤坂 尚昭; 井上 賢紀; 吉武 庸光; 西野入 賢治; 小山 真一; 田中 健哉

no journal, , 

原子力機構では、実用化段階の高速炉用燃料被覆管として高温強度特性と耐スエリング性を具備する酸化物分散強化型(以下、ODS)フェライト鋼の材料開発を行い、現在は「常陽」等を用いて実用化に必要な照射特性に関するデータ整備を進めている。本試験では、基本組成がFe-0.13C-9Cr-2W-0.20Ti-0.35Y$$_{2}$$O$$_{3}$$のマルテンサイト系ODS鋼とFe-0.03C-12Cr-2W-0.30Ti-0.23Y$$_{2}$$O$$_{3}$$のフェライト系ODS鋼の2種類を、高速実験炉「常陽」の材料照射リグ(SVIR, CMIR)を用いて、400$$sim$$750$$^{circ}$$Cの温度条件範囲で最大40.5 dpaまで中性子照射した。これらに対する照射挙動評価のために、金相組織観察,リング引張試験,硬さ測定,組織観察及び元素分析等の試験を実施した。引張試験結果からは、照射に伴い伸び特性が若干低下する傾向が示されたが、低温範囲で最も懸念されていた降伏応力の上昇と伸びの低下(いわゆる、照射硬化現象)は、本照射条件範囲においてほとんど生じていないことが明らかとなった。また、照射前後における微細組織観察から、照射前の複雑な組織状態は、いずれの照射後組織においても著しい組織変化を示すことなく、安定に存在していることが示された。

口頭

中性子照射したオーステナイト系ステンレス鋼の塑性変形特性に関する研究

近藤 啓悦; 中野 純一; 塚田 隆; 山下 真一郎; 西野入 賢治

no journal, , 

軽水炉内構造材料であるオーステナイト系ステンレス鋼の照射誘起応力腐食割れ機構解明研究のため、中性子照射したステンレス鋼に特有な変形機構となる転位チャネリングが、材料のマクロな塑性変形挙動に及ぼす影響について詳細な検討を行った。照射したステンレス鋼は、延性が低下し加工硬化指数が減少することが報告されている。しかし、中性子照射材の引張試験における真応力-真ひずみ曲線を解析すると、照射による降伏応力は増加するが加工硬化指数は照射前後で変化することはなかった。同様な、マクロ特性の変化は非照射温間加工材においても見られた。一方で、塑性不安定開始前のミクロ組織を観察した結果、照射材では転位チャンネル構造、非照射材では転位セル構造であることがわかった。加工硬化は、材料中を動く転位同士の切あいが重要な因子であるが、この異なるミクロ組織であっても転位同士が互いの運動の抵抗になるミクロ変形機構には変化がなかったことが、加工硬化挙動が照射前後で変化しなかった原因であると考えられた。

口頭

Effects of nature of grain boundary on void distribution during irradiation in austenitic stainless steels

関尾 佳弘; 山下 真一郎; 吉武 庸光; 西野入 賢治; 高橋 平七郎

no journal, , 

原子炉炉心材料(オーステナイト系ステンレス鋼)では、照射欠陥集合体の蓄積の結果として、ボイドスエリングや照射硬化が起こることが一般的に知られているが、これらの現象を引き起こす転位やボイドの形成過程がどのような微細組織因子(シンクの種類等)の影響を受けているかなどについては十分に明らかにされていない。このようなことから、本研究ではオーステナイト系ステンレス鋼における粒界近傍での照射欠陥集合体、特にボイド組織の蓄積過程を明らかにするために、3元系モデル合金Fe-15Cr-15Ni及びPNC316を用いて、「常陽」で中性子照射を行い、照射後微細組織観察からボイド組織の蓄積過程と粒界構造との関係性の評価を行った。その結果、整合性の低いランダム粒界近傍にはボイド欠乏帯が生じ、整合性の高い対応粒界近傍には生じないことが示され、粒界近傍のボイド組織の蓄積過程が粒界構造の違いによって変化することが明らかになった。また、両鋼種のボイド欠乏帯の評価から、PNC316におけるスエリング潜伏期間は、空格子濃度及び拡散係数の減少に起因していることが示された。

口頭

PNC316鋼及び9Cr-ODS鋼における急速加熱バースト試験の昇温速度依存性の評価結果

井上 利彦; 小川 竜一郎; 井上 賢紀; 吉武 庸光; 西野入 賢治

no journal, , 

FBRサイクル実用化研究開発(FaCTプロジェクト)のなかの実証炉設計における「運転時の異常な過渡変化」事象(Loss of Flow(LOF):流量喪失事象,Transient Over Power(TOP):過渡過出力事象)等を模擬し、低昇温速度(0.1-10.0$$^{circ}$$C/s)と周応力(50-200MPa)に対する急速加熱バースト試験を行い非照射燃料被覆管の破裂挙動を評価した。試験の結果、周応力50-200MPa下において昇温速度の低下とともに破裂温度が低下する傾向を示した。また、従来取得してきた昇温速度5.0$$^{circ}$$C/sと比較すると、低昇温速度0.1$$^{circ}$$C/sでは最大で約150$$^{circ}$$C程度破裂温度が低下するなど低昇温速度域での熱過渡変化時における被覆管の変形特性の知見を初めて得た。

口頭

中空燃料ペレットの照射挙動,1; X線CT試験結果

石見 明洋; 勝山 幸三; 前田 宏治; 西野入 賢治

no journal, , 

大型高速炉燃料の設計研究の妥当性等を確認するために中空燃料ペレットを製作し、高速実験炉「常陽」にて照射試験を実施した。今回、照射された中空燃料ペレットにおいて、中空形状及びペレット部の密度変化等について詳細に把握するためX線CT試験による内部観察を実施した。その結果、燃料スタック中央部の中空燃料ペレットでは中空径が製造時よりも小さくなっていることを確認した。

口頭

「もんじゅ」高度化炉心及び実証炉用のBDI挙動評価,1; 太径ピン仕様の炉外バンドル圧縮試験計画

市川 正一; 勝山 幸三; 前田 宏治; 西野入 賢治; 上羽 智之; 小山 真一

no journal, , 

「もんじゅ」高度化炉心及び実証炉のBDI挙動評価を資するため、太径ピン仕様の炉外バンドル圧縮試験を実施する。

口頭

燃料加熱試験による核分裂生成物の放出・移行挙動評価,1; 研究の目的・概要

三輪 周平; 石見 明洋; 田中 康介; 佐藤 勇; 廣沢 孝志; 大林 弘; 小山 真一; 勝山 幸三; 西野入 賢治; 逢坂 正彦; et al.

no journal, , 

シビアアクシデント時のソースターム評価における精度向上に資するために、化学形評価に着目した核分裂生成物の移行挙動評価を行うことを目的とした実験研究を展開する。

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