Simulation of creep test on 316FR stainless steel in sodium environment at 550

Satmoko, A.*; 浅山 泰

JNC TN9400 99-035, 37 Pages, 1999/04

JNC-TN9400-99-035.pdf:1.54MB

本研究ではFortranを用いた解析により、高速炉条件を模擬して550のナトリウム中で行われた単軸クリープ試験結果をシミュレートし、浸炭が316FRのクリープ挙動に及ぼす影響を評価した。解析は試験と同様に、2段階で実施した。第1段階として、クリープ試験の直前に負荷される降伏応力よりも大きい荷重あるいは応力を弾塑性挙動で模擬した。第2段階では負荷荷重が一定に保たれクリープが生じる。断面減少により応力が増加するため、塑性成分も考慮する必要がある。これを、弾塑性クリープ挙動を用いて模擬した。時間の経過とともに浸炭が生じるが、これは経験的式により評価した。浸炭により、降伏応力の増加、クリープひずみ速度の減少およびクリープ破断強度の増加が生じる。このようにして作成したモデルにより、ナトリウム中クリープ試験のシミュレーションを行うことができる。表層近傍の材料では浸炭が生じると、材料特性が変化し、応力分布が一様でなくなる。これにより応力集中が生じ、損傷を受ける。損傷クライテリアを導入することにより、き裂発生およびき裂進展の評価が可能となる。高応力では、クリープ強度ではなく引張り強さが破損クライテリアとなる。しかし、低応力では、クリープ強度が破損クライテリアとなる。この結果、高応力では、ナトリウム中クリープ破断時間は大気中よりも短い予測となるが、26kgf/mm2乗以下の応力では、ナトリウム中クリープ破断時間は大気中と等しいかやや長い予測となる。定量的には、浸炭の影響は、550では大きくない。この結果は試験と良く一致した。

低燃焼度ウラン-プルトニウム混合炭化物燃料の照射挙動

岩井 孝; 鈴木 康文; 前多 厚; 笹山 龍雄; 半田 宗男

日本原子力学会誌, 34(5), p.455 - 467, 1992/05

https://doi.org/10.3327/jaesj.34.455

高速炉用新型燃料として注目されているウラン・プルトニウム混合炭化物燃料ピン4本をJRR-2を用いてキャプセル照射し、破損することなく燃焼度13GWd/tまでの健全性を確認した。42および64kw/mと比較的低い線出力であったにもかかわらず、気孔成長や結晶粒径変化が顕著に観察された。燃料ペレット密度や炭素含有量などの燃料特性の違いは組織再編、クラッキングおよびFPガス放出などの燃料挙動に少なからず影響を及ぼした。ガンマスペクトロメトリによると、セシウムがFPガスに似た挙動を示し一部がプレナム部に凝縮していることが明らかになった。316ステンレス鋼被覆管の内面にわずかな浸炭が認められた。

SUS304鋼のナトリウム中クリープ疲労強度

香川 裕之*

PNC TN9410 90-086, 47 Pages, 1990/05

PNC-TN9410-90-086.pdf:1.76MB

ナトリウム環境、特に浸炭とこれに伴う粒界の劣化が、SUS304鋼のクリープ疲労破断寿命やき裂発生寿命に及ぼす影響を明確にする目的で、浸炭源付きナトリウム中クリープ疲労試験を実施した。最長6000時間以上の寿命の計3本のデータを取得した。力学的因子、浸炭や炭化物の析出等の組織的因子、き裂進展過程と破面形態などの観点から検討し解析を行った結果、以下の結論を得た。(1) 本報で開発した浸炭源付きナトリウム中クリープ疲労試験により、実機で想定される最大浸炭量より厳しい浸炭と、炭化物の析出による粒界の劣化を試験片に付与できることが確かめられた。このような厳しい条件においても、ナトリウム中クリープ疲労強度が大気中の強度とほぼ同等であることが分かった。(2) 線形累積損傷則に基づいてクリープ疲労損傷を評価した結果、浸炭源付きナトリウム環境がクリープ疲労損傷に何ら悪影響を及ぼさないことが分かった。また浸炭源付きナトリウム中クリープ疲労寿命が、現行クリープ疲労評価法により、十分な精度で予測可能であることが明らかとなった。(3) 破面および組識観察結果に基づき、き裂の発生と進展過程に関する検討を行った。この結果、浸炭源付きナトリウム中ではき裂が粒界から発生するものの、その発生寿命は大気中と同等であること、およびナトリウム中き裂進展寿命も大気中と同等であることが分かった。(4) 以上の検討から、小型試験片を用いた大気中クリープ疲労寿命の1/20の繰返し数で、実機のナトリウム中表面き裂発生寿命を包絡する現行評価手法が、少なくともナトリウム環境効果の観点から妥当であるとの裏付けを得た。本報で得られた知見をもとに、き裂発生寿命と進展寿命の観点から、次期大型炉の有力候補材である高速炉構造用SUS316鋼のナトリウム中クリープ疲労強度の推測を行った。その結果、ナトリウム中クリープ疲労強度は大気中の強度と遜色ないのではないかと予測されたが、き裂発生寿命が若干低下する可能性も考えられ、この点については少なくとも1,2本の試験は実施して、確認しておく必要はあると考えられる。

Carburization Behaviour of High Temperature Aalloys in Carburizing Environment

新藤 雅美

JAERI-M 86-053, 23 Pages, 1986/03

JAERI-M-86-053.pdf:0.94MB

高温ガス炉用耐熱合金の浸炭挙動を調べるために、強浸炭雰囲気中での浸炭試験を行った。試験に用いた材料はERANS合金の1つであるr4286,Ni-18.5% Cr-21.5% W(F合金)、ハステロイXR及びハステロイXR-IIである。試験は800C,850C,900C,及び950Cの(Ar+10%CH)雰囲気中で行い、次のような結果が得られた。保護酸化膜が形成されない場合、浸炭速度は放物線則に従う。Crの酸化膜が形成されない様な低酸化ポテンシャル環境では、Al及びTiの添加が、それらの保護膜の形成によって、耐浸炭性を改良する。耐浸炭性を合金間で比較すると、2%Alと2.5%Tiを含んだR4286がAl及びTiからなる保護膜によって、最も優れた特性を示した。また、F合金は中間のハステロイXR及びXR-IIは 最も低い耐浸炭性を示した。

Ni基耐熱合金のヘリウム中腐食挙動に及ぼす昇温速度の影響

倉田 有司; 近藤 達男

JAERI-M 85-053, 36 Pages, 1985/04

JAERI-M-85-053.pdf:3.49MB

酸化初期の造膜反応と浸炭の関係に注目して、高温ガス炉用Ni基耐熱合金のヘリウム中腐食挙動に及ぼす昇音速度の影響を調べた。試験はホウ素(B)含有量の異る2種類のハステロイXRと中間熱交換器伝熱管用に開発された113MAおよびKSN合金を対象とした。試験温度までの昇音速度を80C/minと2C/minの2種類とし、900Cで高温ガス炉一次冷却系を近似した原研B型ヘリウム中での腐食試験を行った。40ppmBを含むハステロイXR、113MA、KSNの耐酸化性は昇温速度の違いによりほとんど変化しなかったが、2.8ppmBを含むハステロイXRの耐酸化性は昇温速度により変化した。脱浸炭挙動は昇温速度の違いにより明らかな相違が認められた。昇温速度が速い場合には初期に著しい浸炭が起ったが、昇温速度が遅い場合、浸炭はわずかであり、高温ガス炉雰囲気での浸炭への初期酸化の役割が明らかになった。

高温ガス炉中間熱交換器用新開発超耐熱合金のヘリウム中熱サイクル下の腐食挙動

新藤 雅美; 鈴木 富男; 近藤 達男

JAERI-M 83-108, 17 Pages, 1983/07

JAERI-M-83-108.pdf:1.24MB

高温ガス炉の中間熱交換器用の新しい超耐熱合金である113MA合金とKSN合金は、原子力製鉄技術研究組合(ERANS)によって開発され、そして選ばれた合金である。この二つの合金を高温ガス炉冷却材近似のヘリウム中で室温と900C、室温と1000Cの間の熱サイクル下の腐食試験を行い、腐食挙動を評価した。得られた結果は、(1)KSN合金の酸化量は113MA合金より少ない。(2)1000Cにおける、Cr欠乏層深さの進行速度から求めた放物線速度定数は113MAが5.66m/hrで、KSNが3.64m/hrであった。(3)酸化膜の密着性は900CではKSNが、1000Cでは113MAが優れていた。(4)両合金とも粒界酸化が観察され、KSNの粒界酸化物はAl、Ti、Crで、113MAはTiの酸化物である。(5)両合金ともはく離酸化物中へのCoの移行は無視できるほど少ない。(6)KSNは900Cと1000Cともに浸炭、113MAは900Cでは浸炭、1000Cでは脱炭傾向を示した。

ハステロイXR合金の高温ガス炉ヘリウム環境における長時間クリープ破断強さの評価

田村 学*; 小川 豊; 倉田 有司; 近藤 達男

JAERI-M 82-032, 16 Pages, 1982/04

JAERI-M-82-032.pdf:0.97MB

ハステロイXR合金のクリープ変形中の酸化と浸炭を詳しく調べることによって、高温ガス炉近似のヘリウム環境における800~1000Cのクリープ強さの検討を行なった。酸化速度はクリープ変形の進行にともなって、あまり、加速されることはない。変形量が小さいうちは、MnCrO/CrOの保護被膜が安定なために、浸炭はほとんど起らないが、末期の加速クリープ域になって表面からのクラックを生じ始めると、著しい浸炭が起こる。著しい浸炭が起こると、クリープ破断伸びだけでなく、破断時間も低下する傾向を示す。実験結果を詳しく検討した結果、不純ヘリウム中のハステロイXR合金の破断時間は、不活性雰囲気の破断時間の約50%と見積るのが安全確保の立場に立った控目な控定であることを示した。

数種の不純物を含むヘリウム中におけるハステロイXの高温すきま腐食

木内 清; 近藤 達男

防食技術, 31(3), p.125 - 132, 1982/00

https://doi.org/10.3323/jcorr1974.31.3_125

HTR一次冷却系構造材料は、極微量の酸化性および浸炭性不純物を含む高温ヘリウムにさらされる。反応不純物が希薄なため、熱交換器のように複雑な構造を持つ部分やクリープおよび疲労で生じた割れ先端などのすきま部分では、自由表面と異なった表面反応が予想される。本研究では、これの基礎的な検計のために、HTR近似ヘリウム中での人工すきま部分の高温腐食挙動を調べた。試験法として、Mo製人工すきま試験用治具を開発し、またすきま内酸化侵入プロフィルをEPMAを用いて得る方法を確立した。結果として、すきま内では、酸化皮膜の形成のためにすきま入口から酸化ポテンシャルの高い順に、CO,HOが消費される。さらに奥では、CH+COのガスにより浸炭が促進される。COとHOがなくなる深さは、腐食時間の1/4乗にまたすきま開口距離の1/2乗に比例する。これは、すきま内酸化反応の律速段階として、すきま内部での反応ガスの拡散を仮定した理論式とよく一致した。

耐熱金属とグラファイトおよび核燃料との炉外両立性試験

村岡 進

JAERI 1258, 45 Pages, 1979/02

JAERI-1258.pdf:3.17MB

Taとグラファイト、UOおよびUC、ハステロイXとグラファイトの炉外における両立性試験の結果をまとめた。Taグラファイトの反応によって生成されるTaC、Ta炭化物の層成長速度から両者におけるCの拡散係数を求めた。その結果、両者のアレニウスプロットにおいて1800C付近に折れ曲がりが見られ、特にTaのそれの鋭いことが見い出された。Taと化学量論組織のUO両立するが、TaとUCは反応性に富み、1600C以上ではTa中にCにみならずUの侵入速度がCのそれを凌駕していることが判った。ハステロイXについてトレーサー法により、浸炭材構を調べたところ、合金中の浸炭は粒界拡散が先行して進むことが分かった。また、雰囲気中に存在する酸素が、この浸炭に関して保進する作用と抑制する作用の全く相反する寄与一内部酸化領域では、促進、表面酸化膜中では抑制一をすることが判明した。

高温ガス炉用耐熱材料の両立性,1; くっつき試験

村岡 進; 伊丹 宏治; 野村 末雄

JAERI-M 6088, 22 Pages, 1975/03

JAERI-M-6088.pdf:1.63MB

Hastelloy Xをはじめとする耐熱合金やTa等の耐熱金属について、それら相互間の800Cと1000Cにおける「くっつき」試験を流動He中で100~1000時間行なった所、耐熱合金同士は800C以上ですべて「くっつき」を生じた。耐熱合金とグラファイトの両立性試験の結果、1000C迄は「くっつき」は見られなかったが、各合金共浸炭が見られた。He中の実験では浸炭と共に酸化が見られ、それに伴って脱炭現象が認められた。「くっつき」や浸炭を防ぐ為には、その接触面上にセラミックコーティングを施こすのが有用である。種々のコーティングを施こした試験片について、長持間耐久試験及び「くっつき」試験を行なったところ、プラズマ・スプレー法によるAlOとZrO及びフレキシブル・コード・スプレー法によるZrOコーティングが、我々の使用条件では最も優れた結果を示した。