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論文

Experimental and modeling studies on the oxygen ingression behavior at the crevices of stainless steels in high-temperature water

相馬 康孝; 小松 篤史; 加治 芳行; 山本 正弘*; 五十嵐 誉廣

Corrosion Science, 251, p.112897_1 - 112897_15, 2025/07

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112897
 被引用回数：1 パーセンタイル：0.00(Materials Science, Multidisciplinary)

高温水中(288$$^{circ}$$C)におけるステンレス鋼のすき間内部への酸素侵入に関する実験およびモデリング研究を実施した。すき間内への酸素侵入の限界距離$$d_{rm lim}$$は、酸素濃度、すき間幅、浸漬時間に関わらず、すき間開口部からの距離dがそれ以上の数値になる場合、主要表面酸化物組成が(ヘマタイト$$rightarrow$$マグネタイトに)変化する位置として定義することができた。その場測定により、$$d_{rm lim}$$付近での電気伝導度の増加が確認され、これは酸素濃度差電池によるイオン濃縮を示した。$$d_{rm lim}$$は、すき間幅、酸素濃度、浸漬時間の増加に伴って拡大した。モデル計算の結果、酸化膜の成長によってステンレス鋼金属のアノード溶解が抑制され、対応する酸素のカソード還元消費速度が低下することで、時間とともに酸素の侵入が進行することが示唆された。

論文

高純度水中における金属すき間内のイオン濃縮挙動に関する実験及びモデル計算

相馬 康孝; 小松 篤史; 五十嵐 誉廣

第71回材料と環境討論会講演集(CD-ROM), p.253 - 256, 2024/11

ステンレス鋼のすき間内に浸入したClイオンは外界を高純度水中としても濃度拡散通りに散逸しない(導電率が低下しない)こと、及びこの原因がすき間内外における電気化学反応に起因する可能性があることを前報において報告した。そこで本研究では、イオン挙動を更に解析するために、一般的な高純度水中でどの程度のイオン濃縮駆動力が生じるかを実験及びモデル計算によって調べた。実験の結果、50$$^{circ}$$Cの高純度水中では脱気環境及び大気開放環境共にSUS316Lステンレス鋼すき間内の導電率が約100$$mu$$S/cm(バルク水の100-1000倍)になり、モデル解析の結果、これは主にすき間内で発生した金属カチオンとすき間試験片組立時に存在した溶存酸素の還元による水酸化物イオンにより導電率が上昇したと推測された。導電率の上昇速度からすき間内の金属の溶解度速度は約10nA/cm$$^{2}$$程度であると推測された。

論文

液体鉛ビスマス合金中のステンレス鋼の腐食挙動に及ぼす溶存酸素濃度の影響

入澤 恵理子

耐火物, 76(8), p.326 - 332, 2024/08

液体鉛ビスマス共晶合金(LBE)は原子炉の冷却材として検討され、研究開発が長年行われてきた。しかし、LBEを冷却材として使用する際に最も懸念される課題として、高い運転温度と流動しているLBEにさらされることによる金属構造材料(主として鉄鋼材料)の腐食劣化が挙げられている。LBEによる鋼材の腐食は、LBE中に溶解している酸素による鋼材表面の酸化と、LBEへの高い溶解度を持つNi等の鋼材成分の溶解が同時に進行し、NiのようなLBEに溶解しやすい金属成分を含むオーステナイト鋼の場合には、LBE中の溶存酸素濃度を監視・制御した上で腐食量を評価する必要があることが知られている。本稿では、LBE中のステンレス鋼の腐食評価と溶存酸素濃度の関係に主眼を置き、その腐食劣化機構において重要な因子となる溶存酸素濃度とその測定方法、鋼材成分(Fe、Ni、Cr)を含む金属元素の溶解度について解説する。そして、著者が主に扱ってきたオーステナイト系ステンレス鋼のLBE中での腐食評価を例に、LBE中の溶存酸素濃度と腐食挙動や腐食速度の関係について紹介する。

論文

ガンマ線照射下にある高温水中でのステンレス鋼隙間内腐食挙動における溶存酸素の影響

佐藤 智徳; 端 邦樹; 加藤 千明; 五十嵐 誉廣

材料と環境, 73(4), p.102 - 109, 2024/04

https://doi.org/10.3323/jcorr.73.102

放射線照射下でのSCCき裂水質における溶存酸素濃度の寄与と深さ方向の水質分布を評価するため、隙間付与ステンレス鋼のガンマ線照射下試験およびラジオリシス解析を実施した。その結果、溶存酸素濃度によらず隙間内全域にFe$$_{2}$$O$$_{3}$$が形成されることを確認した。また、照射下では、き裂内でラジオリシスにより直接生成された酸化剤種は被膜成長で消費され、放射線環境下でもき裂内ではアニオン濃縮が発生することが推定された。

論文

HCl水溶液中の溶存$$^{90}$$Sr及び$$^{137}$$CsがSUS 316Lの腐食電位に及ぼす影響

青山 高士; 佐藤 智徳; 上野 文義; 加藤 千明; 佐野 成人; 山下 直輝; 五十嵐 誉廣

材料と環境, 72(11), p.284 - 288, 2023/11

https://doi.org/10.3323/jcorr.72.284

溶液中の$$beta$$線源がSUS 316Lステンレス鋼の腐食に及ぼす影響を解析するために、溶存$$^{90}$$Srが腐食電位に及ぼす影響を調査した。HCl中で腐食電位を測定しながら、放射能の等しい$$^{90}$$Sr標準溶液及び$$^{137}$$Cs標準溶液をHClに滴下した。その結果、$$^{90}$$Sr標準溶液滴下溶液中では$$^{137}$$Cs標準溶液滴下溶液中よりも大きな電位上昇が生じた。計算によって検証した結果、水の放射線分解によるH$$_{2}$$O$$_{2}$$の生成速度の違いが両溶液中での電位変化に違いをもたらすという結果が得られた。

論文

高温水クレビス模擬環境におけるFe-Cr-Ni合金の粒界腐食挙動に及ぼすCr濃度の影響

相馬 康孝; 五十嵐 誉廣

第70回材料と環境討論会講演集(CD-ROM), p.199 - 202, 2023/10

高温水中におけるステンレス鋼の応力腐食割れ(SCC)内部では酸性の腐食環境(クレビス環境)が形成すると考えられることから、SCC挙動を解明するためにはクレビス環境においての腐食挙動解明が重要である。過去にわれわれはクレビス内部の導電率を測定し、すき間腐食が発生する場合としない場合でそれぞれ380$$mu$$S/cm、1600$$mu$$S/cmの数値を得たことから、本研究ではこれらの数値に対応する環境をそれぞれクレビス環境I(pH$$_{288^{circ}rm C}$$=4.41)、及びII(pH$$_{288^{circ}rm C}$$=3.13)とし、それぞれの環境中におけるFe-xCr-20Ni(x=16.9, 19.8, 22.9, 24.3, 25.9)の腐食挙動を調べた。この結果、クレビス模擬環境Iではすべての合金組成で不働態化が見られた一方、クレビス模擬環境IIではx=16.9、及び19.8で粒界の割れを伴う激しい腐食が見られ、厚い酸化皮膜が形成した。一方、x=22.9以上では酸化皮膜成長は抑制され、明確な分極曲線上に明確な不働態域が形成された。

論文

ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故時の制御棒材の共晶溶融挙動に関する研究; プロジェクト全体概要及び令和4年度までの進捗

山野 秀将; 高井 俊秀; 江村 優軌; 福山 博之*; 西 剛史*; 守田 幸路*; 中村 勤也*; Pellegrini, M.*

日本機械学会2023年度年次大会講演論文集(インターネット), 5 Pages, 2023/09

ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故評価において制御棒材の炭化ホウ素とステンレス鋼の共晶溶融反応及び移動挙動を模擬できるようにするため、共晶溶融物の熱物性評価、共晶溶融反応・再配置実験、共晶反応メカニズム検討、及び共晶溶融反応に関する物理モデル開発及び実機適用解析を実施する研究プロジェクトを進めている。ここでは、プロジェクト全体概要及び令和4年度までの進捗概要について報告する。

論文

Raman spectroscopy of eutectic melting between boride granule and stainless steel for sodium-cooled fast reactors

深井 尋史*; 古谷 正裕*; 山野 秀将

Nuclear Engineering and Technology, 55(3), p.902 - 907, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.net.2022.11.010
 被引用回数：6 パーセンタイル：84.29(Nuclear Science & Technology)

本論文は、炭化ホウ素(B$$_{4}$$C)とステンレス鋼(SS)の共晶溶融・固化反応に関する反応生成物及びその分布を扱う。B$$_{4}$$C-SS共晶反応への炭素の存在の影響を調べるため、ホウ化鉄(FeB)とSSの反応を比較して、多変量スペクトル解析を用いたラマン分光分析を実施した。走査電子顕微鏡とエネルギー分散型X線分析も実施し、Cr, Ni, Feのような純金属の要素情報を調べた。B$$_{4}$$C-SS試料では、界面層に非結晶カーボンやFeB, Fe$$_{2}$$Bが見られた。それに対して、FeB-SS試料では、界面にはそのような界面層が見られなかった。

論文

ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故における制御材と溶融ステンレス鋼の反応挙動に関する実験的研究

江村 優軌; 神山 健司; 山野 秀将

第26回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 4 Pages, 2022/07

https://doi.org/10.1299/jsmepes.2022.26.A224

制御材である炭化ホウ素(B$$_{4}$$C)はステンレス鋼との共晶反応により、双方の融点よりも低い温度で液相化する。そのため、ナトリウム冷却高速炉の炉心崩壊事故時において、制御材の喪失や当該反応生成物の炉心領域内外への移行が炉心反応度に影響を及ぼす可能性がある。本研究では、超高温域における反応挙動を把握することを目的として、B$$_{4}$$Cペレットを溶融したステンレス鋼中に浸漬させる試験を行い、ペレットの減肉量に基づいた反応速度を検討した。

論文

Failure bending stresses for small diameter thick-wall pipes

山口 義仁; 長谷川 邦夫; Li, Y.; Lacroix, V.*

Proceedings of ASME 2022 Pressure Vessels and Piping Conference (PVP 2022) (Internet), 4 Pages, 2022/07

https://doi.org/10.1115/PVP2022-84598

Four-point bending tests without internal pressure were performed for Type 304 stainless steel pipes with circumferential flaws at room temperature. The specimens are 1-inch diameter (33.7 mm) Schedule 160 pipes (6.3 mm wall thickness). The flaws were part-through flaws located at the pipe external side. The flaw angles are from 120$$^{circ}$$ to 240$$^{circ}$$, and the flaw depths are two cases of 50% and 75% of the wall thickness. Plastic collapse stresses obtained from experiments were compared with those calculated using Limit Load Criteria from Appendix C of the American Society of Mechanical Engineers Code Section XI. Limit Load Criteria were developed using flow stress at flawed section of the pipe. The plastic collapse stress test results were larger than those of the calculation results. For flaws with flaw depths less than 50% of the wall thickness, the experimental stresses were significantly large. The Limit Load Criteria given by Section XI provide conservative collapse stresses and could be improved.

論文

Effects of potential on the electrical conductivity of a solution within a crevice of stainless steel in high-temperature water

相馬 康孝; 小松 篤史; 上野 文義

Corrosion, 78(6), p.503 - 515, 2022/06

https://doi.org/10.5006/3187
 被引用回数：1 パーセンタイル：7.22(Materials Science, Multidisciplinary)

高温水中におけるステンレス鋼の応力腐食割れ(SCC)を理解するためにはすき間部における溶液の性質を、電位(ECP)の関数として理解することが重要である。本研究ではSUS316Lステンレス鋼すき間内の溶液導電率($$sigma$$$$_{crev}$$)の測定を288$$^{circ}$$C、8MPa、主要なアニオンとして約10ppbのCl$$^{-}$$を含有する水中で行った。$$sigma$$$$_{crev}$$のその場測定は、すき間幅15$$mu$$mおよび奥行き23mmの直方体すき間において、異なるすき間深さ位置に設置した電気化学センサーにより実施した。ECPを-0.49V (vs. standard hydrogen electrode at 288$$^{circ}$$C, 8MPa)から-0.12Vに増加させたところ、$$sigma$$$$_{crev}$$は開口部から21mmの距離において12$$mu$$Scm$$^{-1}$$から160$$mu$$Scm$$^{-1}$$まで上昇した。$$sigma$$$$_{crev}$$の上昇は約0.15Vで最大値(約300$$mu$$Scm$$^{-1}$$)を示したのちは電位上昇と共に減少する傾向を示した。本現象は電気化学反応を考慮した有限要素法解析により定量的に再現することができた。すなわち、比較的低電位ではCl$$^{-}$$が主要なすき間内への電気泳動種となり、ECP上昇により$$sigma$$$$_{crev}$$は単調に増加し、同時にpHも低下すると考えらる。一方、ECPが0V近傍を超えると過不働態溶解によって発生したHCrO$$_{4}$$$$^{-}$$もすき間内へ十分な量が泳動する。本化学種はCl$$^{-}$$とは異なり酸化性が強いことから、金属カチオンと反応してそれを酸化沈殿させ、導電率を下げるものと推測された。

論文

Viscosity measurements of molten metal using an improved oscillating crucible method

佐藤 理花*; 西 剛史*; 太田 弘道*; 山野 秀将

International Journal of Thermophysics, 43(6), p.85_1 - 85_15, 2022/06

https://doi.org/10.1007/s10765-022-03011-2
 被引用回数：2 パーセンタイル：15.59(Thermodynamics)

本研究では、振動の周期と対数減衰から最小二乗法を基にした簡易な粘度測定法を開発した。提案手法の再現性を確認するため、溶融ニッケルの粘度を測定した結果、文献で報告されたものと良い一致が見られた。測定誤差は$$pm$$3%であり、実験データは良い再現性を示した。提案した測定手法は高い精度を持つことが示された。

論文

るつぼ回転粘度計を用いた溶融耐熱鋳鋼の粘度測定

高塚 祐理子*; 松本 早織*; 西 剛史*; 太田 弘道*; 堀 亜由美*; 林 喜一郎*; 山野 秀将

実験力学, 22(2), p.117 - 119, 2022/06

https://doi.org/10.11395/jjsem.22.117

本研究では、るつぼ回転振動法により粘度を測定し、高温時の溶融耐熱鋳鋼の粘度の影響を明らかにした。粘度測定で用い高温耐熱鋳鋼の試料は、Ni量として0, 10, 20, 30, 40及び50質量%を含有させた。粘度は、Roscoeの式により評価するとともに、1693Kから1803Kの温度範囲で計測された。

論文

Leaching behavior of multiphase solidified melt prepared from stainless steel and Zircaloy

池内 宏知

Journal of Nuclear Science and Technology, 59(6), p.768 - 780, 2022/06

https://doi.org/10.1080/00223131.2021.2009390
 被引用回数：1 パーセンタイル：14.04(Nuclear Science & Technology)

Formation of metallic fuel debris is highly probable in the damaged core of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. Estimating the number of radionuclides released from the fuel debris to an aqueous solution is indispensable for proper handling of fuel debris and waste management. In the present study, a simple approach is introduced to roughly evaluate the mass of elements leached from complex multiphase surfaces considering the surface-area-weighted-average of the contributions of individual phases. Static leaching tests were performed under the acidic and the alkaline conditions to investigate the gap between the simplified assumption and the actual dissolution behavior. Alloy samples of a stainless steel-Zircaloy (SUS-Zry) solidified melt and two single-phase samples (Fe,Cr)$$_{2}$$Zr- and Zr$$_{2}$$(Fe,Ni)-type phases, which comprised the surface of the SUS-Zry alloy) were used in the static leaching tests. The masses of the Fe, Cr, Ni, and Zr leached from the SUS-Zry alloy fitted with those evaluated by the surface-area-weighted approach by 1 to 2 orders of magnitude of precision.

論文

高温水クレビス模擬環境におけるFe-Cr-Ni合金の電気化学的性質

相馬 康孝; 加藤 千明

材料と環境2022講演集(CD-ROM), p.219 - 220, 2022/05

沸騰水型軽水炉においてはステンレス鋼すき間内部に外界の不純物イオンが濃縮し、酸性化することから、そのような環境(クレビス環境)におけるステンレス鋼の電気化学的性質を知ることは重要である。本研究は、クレビス模擬環境をバルクスケールで再現し、Fe-Cr-Ni合金の電気化学的性質に及ぼすCr濃度の影響を主体に調査した。クレビス環境を模擬した、温度288$$^{circ}$$C、Cl濃度2$$times$$10$$^{-4}$$ mol/dm$$^{-3}$$、pH約4.5、溶存水素濃度10ppbの水中で、Fe-20Ni-xCr (x=16.4, 23, 26)の分極曲線を計測した。その結果、-400mVにおける活性溶解のピーク電流、および-50mVにおける不働態保持電流密度はCr濃度x=16.4, 23、および26%の試験片でそれぞれおおよそ13.8, 15.9, 10.0 $$mu$$Acm$$^{-2}$$、および18.4, 8.5, 8.5 $$mu$$Acm$$^{-2}$$であった。いずれもx=26の電流値が若干低いが、本環境では分極曲線に及ぼす明確なCr濃度依存性は見られないと判断された。

論文

$$^{90}$$Sr標準溶液の滴下がSUS 316Lの腐食電位に及ぼす影響の検討

青山 高士; 加藤 千明; 佐藤 智徳; 佐野 成人; 山下 直輝; 上野 文義

材料と環境, 71(4), p.110 - 115, 2022/04

https://doi.org/10.3323/jcorr.71.110

溶存$$^{90}$$Srが炭素鋼およびSUS 316Lステンレス鋼の腐食電位に及ぼす影響を調査した。人工海水中で腐食電位を測定しながら、$$^{90}$$Sr溶存溶液を人工海水に滴下した。溶液の滴下は2回に分けて行い、滴下した溶液の放射能がそれぞれ0.15MBqおよび1.5MBqとなるように調整した。その結果、$$^{90}$$Sr溶存溶液の滴下によって、炭素鋼の電位はほとんど変化しないがSUS316Lステンレス鋼の電位は上昇することが分かった。

論文

すき間内に浸入したClイオンの散逸挙動に及ぼす温度の影響

相馬 康孝; 加藤 千明

第68回材料と環境討論会講演集(CD-ROM), p.205 - 206, 2021/10

金属すき間内に浸入したClイオンの散逸挙動に及ぼす温度の影響を調べた。すき間内部にセンサーを設置し、電気化学測定によって導電率を測定し、そこからCl濃度を考察した。温度50$$^{circ}$$C、および80$$^{circ}$$Cでは共に、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)および白金(Pt)すき間内に浸入したClイオンは、外界を浄化した場合、濃度拡散に従い散逸した。一方、SUS304Lステンレス鋼すき間内に浸入したClイオンはPEEKおよびPtより散逸速度が遅いことが分かった。このことから、すき間内におけるSUS304Lのアノード溶解が散逸挙動に影響を及ぼしていると考えられる。そのため、散逸挙動に及ぼす温度の影響を定量的に調べるためには、アノード溶解速度、および局部腐食の有無を考慮した上で濃度拡散と電位差永動をともに考慮した数値計算が有効であると考えられる。

論文

Viscosities of molten B$$_{4}$$C-stainless steel alloys

西 剛史*; 佐藤 理花*; 太田 弘道*; 小久保 宏紀*; 山野 秀将

Journal of Nuclear Materials, 552, p.153002_1 - 153002_7, 2021/08

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153002
 被引用回数：8 パーセンタイル：61.36(Materials Science, Multidisciplinary)

炭化ホウ素とステンレス鋼の溶融合金(B$$_{4}$$C-SS)の高精度の物性測定はナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故解析や福島第一原子力発電所で見られたように沸騰軽水炉(BWR)のシビアアクシデント解析に必須である。しかしながら、実験的に困難であるが故、B$$_{4}$$C-SS溶融合金の高精度な粘度データはない。本研究では、溶融ステンレス鋼(SUS316L), 2.5mass%B$$_{4}$$C-SS, 5.0mass%B$$_{4}$$C-SS, 7.0mass%B$$_{4}$$C-SSの粘度をそれぞれ1693-1793K, 1613-1793K, 1613-1793K、及び1713-1793Kの温度範囲で回転るつぼ振動法により計測した。この粘度はB$$_{4}$$C濃度が0から7%までに上昇するにつれて増加した。1713-1793Kの温度範囲で2.5mass%B$$_{4}$$C-SS, 5.0mass%B$$_{4}$$C-SS, 7.0mass%B$$_{4}$$C-SSの実験データを用いて、B$$_{4}$$C-SSの粘度評価式を求めた。また、B$$_{4}$$C-SSの粘度の計測誤差は8%以下だった。

論文

Decrease in pitting corrosion resistance of extra-high-purity type 316 stainless-steel by Cu$$^{2+}$$ in NaCl

青山 高士; 小河 浩晃; 加藤 千明; 上野 文義

Metals, 11(3), p.511_1 - 511_13, 2021/03

https://doi.org/10.3390/met11030511
 被引用回数：3 パーセンタイル：15.96(Materials Science, Multidisciplinary)

超高純度タイプ316ステンレス鋼の耐孔食性に及ぼすバルク溶液中のCu$$^{2+}$$の影響を調べた。0.1M NaClでは孔食が発生しなかったが、0.1M NaCl-1mM CuCl$$_2$$では孔食が発生した。0.1M NaCl-1mM CuCl$$_2$$では電位域によらず表面へのCu$$^{2+}$$の析出が生じたが、バルク溶液中のCu$$^{2+}$$は不動態皮膜の形成に影響を与えなかった。0.1M NaCl-1mM CuCl$$_2$$における耐孔食性の低下は、表面にCuまたはCu化合物が析出し、Cu$${2+}$$が継続的に供給されていることに起因する。

論文

Microstructural features and ductile-brittle transition behavior in hot-rolled lean duplex stainless steels

高橋 治*; 渋井 洋平*; 徐 平光; Harjo, S.; 鈴木 徹也*; 友田 陽*

Quantum Beam Science (Internet), 4(1), p.16_1 - 16_15, 2020/03

https://doi.org/10.3390/qubs4010016

The characteristics of texture and microstructure of lean duplex stainless steels with low Ni content produced through hot rolling followed by annealing were investigated locally with electron backscatter diffraction and globally with neutron diffraction. Then, the ductile-brittle transition (DBT) behavior was studied by Charpy impact test. It is found that the DBT temperature (DBTT) is strongly affected by the direction of crack propagation, depending on crystallographic texture and microstructural morphology; the DBTT becomes extremely low in the case of fracture accompanying delamination. A high Ni duplex stainless steel examined for comparison, shows a lower DBTT compared with the lean steel in the same crack propagating direction. The obtained results were also discussed through comparing with those of cast duplex stainless steels reported previously (Takahashi et al., Tetsu-to-Hagane, 100(2014), 1150).

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