原子炉炉内構造部材ステンレス鋼で生じる表層部クラック抑制のための結晶粒微細化に関する研究(学位論文)

広田 憲亮

JAEA-Review 2025-054, 132 Pages, 2026/03

JAEA-Review-2025-054.pdf:14.65MB

近年、カーボンニュートラル実現のため、各国で原子力発電所の運転延長や新設が議論されている。日本では、2011年3月11日の東京電力福島第一原子力発電所事故後、新規制基準を満たした軽水炉のみが再稼働を果たしているが、想定以上に審査に時間を要している。特に再稼働した軽水炉の多くは加圧水型軽水炉(PWR)であり、福島第一原子力発電所の炉型である沸騰水型軽水炉(BWR)の再稼働は遅れている。ところで、原子力発電所での応力腐食割れ(SCC)は、これら原子力発電所の安全性を脅かす問題であり、材料や環境条件によってその影響が異なる。特に、SUS304やSUS316等のステンレス鋼は酸化皮膜や残留応力の存在により、クラックが発生しやすい。これまでの対策として、材料組成の改良や圧縮残留応力を付与するレーザピーニング等が試みられてきたが、高温環境下で長期間圧縮残留応力を保持していられるか否かはいまだ不透明である。そこで、本研究では、SCC抑制の新たなアプローチとして、結晶粒微細化加工技術に注目し、ステンレス鋼の結晶粒微細化を可能とする創製プロセスを確立した。次に、この創製されたステンレス鋼を用いて、原子炉運転環境下でのSCCによるクラック発生に及ぼす結晶粒微細化の影響を系統的に分析し、SCC発生抑制効果について、そのメカニズムを調査した。さらに、実用的な観点で、表層部のみに結晶粒微細化プロセスを適用する方法を提案し、そのSCC抑制効果を評価した。これらの結果は、原子力発電所の長期運転時のSCC抑制に大きく貢献するとともに、シュラウド構造部材の長寿命化に重要な役割を果たす技術であると期待される。

簡易粘弾性評価モデルを用いた炉内黒鉛構造物の応力挙動の解析的検討

西條 友章; 島崎 洋祐; 石原 正博

JAEA-Technology 2025-010, 126 Pages, 2025/12

JAEA-Technology-2025-010.pdf:12.52MB

HTTR(高温工学試験研究炉)の運転中には、黒鉛構造物に熱応力が発生する。また、黒鉛材料は中性子照射により収縮挙動を示すとともに、クリープ現象が発生するため、原子炉停止時には黒鉛構造物に残留応力が発生する。そこで、HTTR炉心黒鉛構造物の設計においては、有限要素法応力解析コード「VIENUS」を用いた黒鉛構造物の応力解析を行ってきた。HTTRの黒鉛構造物は配置場所によって照射される温度域が400Cから1200Cと大きく異なるため、材料物性値や照射収縮などの照射挙動も黒鉛構造物ごとに異なる。一方、VIENUSコードは熱流動・熱伝導解析結果を解析条件として入力し応力を評価する解析コードであるため、温度条件や材料物性値をパラメータとした検討には向かない。そこで、本報告書ではVIENUSコードよりもパラメータスタディを効率的に実施できる2本のはり要素からなる簡易粘弾性評価モデルを用いて、400Cから1200Cの温度域にある黒鉛構造物の照射挙動が応力挙動に与える影響を解析し、運転時応力は黒鉛構造物の照射収縮の影響により、照射温度800Cを境に2つの異なる挙動を示すことを明らかにした。また、原子炉停止時の残留応力は熱応力に漸近するため、照射収縮が大きくなった場合でも過度に大きくならないことがわかった。さらに、簡易粘弾性評価モデルとVIENUSの応力解析結果を比較した結果、応力挙動の傾向が一致し、簡易粘弾性評価モデルは応力挙動の把握に有用であることが明らかとなった。

Experimental study of the effect of interfacial shear stress on jet

柾木 直人*; 金子 暁子*; 堀口 直樹; 吉田 啓之

Extended Abstracts of the 11th JSME-KSME Thermal and Fluid Engineering Conference (J-K TFEC11) (Internet), 6 Pages, 2025/10

原子炉の炉心溶融が発生した場合、溶融燃料はジェット状に冷却材プールへ侵入する可能性がある。ジェットの微粒化は、溶融燃料と冷却材間の熱伝達を促進することから、シビアアクシデントマネージメントにおいて極めて重要である。これまでのジェットの微粒化に関する研究は、ジェットに作用する界面せん断応力に着目してきた。界面せん断応力は、界面波の成長と変形に寄与し、最終的には液滴形成を促進する要因となる。しかし、円柱状のジェットにおける界面波の発展を観察し、界面に作用するせん断応力を定量化することは実験では極めて難しいため、界面せん断応力がジェットに与える影響は未だ十分に解明されていない。本研究は、ジェットに及ぼす界面せん断応力の影響を実験的に明らかにすることを目的とする。実験は3D-LIF法およびPIVを用いた液-液系で行った。ここで、両相の屈折率を一致させるためジェット相にグリセロール-水溶液を、連続相にシリコーンオイルを用いた。ジェットは直径3mmのノズルからプールへ垂直下方に侵入させた。噴出速度は2.6m/s、プールの深さは30mmとした。3D-LIF法およびPIVのため、ローダミン6Gおよびトレーサ粒子を用いた。結果として、ジェットの界面で2種類の波が観察された。ノズルから15mm以上離れた界面では、大きな波が二次元(軸対称)で現れ、それらの表面上に波長=1mmの三次元的な小波が形成されることが確認された。さらに、小波に作用する界面せん断応力は、大波に作用するそれよりも大きいことが明らかとなった。また、小波からは容易に液滴が形成されることが観察された。これらの結果から、小波に高い界面せん断応力が作用することにより、液滴形成が促進されることを実験的に結論付けた。

Residual stresses of small-bore butt-welded piping measured by quantum beam hybrid method

鈴木 賢治*; 三浦 靖史*; 豊川 秀訓*; 城 鮎美*; 菖蒲 敬久; 諸岡 聡; 柴山 由樹

Quantum Beam Science (Internet), 9(2), p.15_1 - 15_15, 2025/06

https://doi.org/10.3390/qubs9020015

In this study, austenitic stainless steel pipes with a small diameter (100A) were butt-welded and the residual stress was measured using high energy synchrotron radiation X-rays and neutron. The welding residual stress is asymmetrical with respect to the welding line and has unevenness due to the crystal grains. Large axial residual stress occurs from the HAZ near the penetration bead toward the weld part. A simulation of a butt-welded pipe was performed using the finite element method. In the half model of the welded pipe, the butt-plane was assumed to keep a plane. The simulated residual stress by the half model was larger than that by the whole model. To perform an accurate simulation, the whole butt-welded piping must be modeled. The real tensile stress area from the HAZ near the penetration bead toward the weld was not obtained by the simulation.

BWR下のSUS304L鋼で生じる粒内応力腐食割れに及ぼす結晶粒微細化の影響

広田 憲亮; 中野 寛子; 武田 遼真; 井手 広史; 土谷 邦彦; 小林 能直*

材料の科学と工学, 61(6), p.248 - 252, 2024/12

SUS304Lステンレス鋼の0.2%耐力に関する比較分析により、ひずみ速度が低下するほど、温度が上昇するほど、0.2%耐力は著しく低下することが明らかとなった。一方で結晶粒径を68.6mから0.59mに微細化した場合における低ひずみ速度下での0.2%耐力への強度低下率の影響は小さかった。しかし、結晶粒微細化は、室温に比べて原子炉運転温度下での0.2%耐力低下には影響を及ぼした。粒内応力腐食割れ(SCC)を促進する条件下での低ひずみ速度引張試験では、28.4m以下の結晶粒径を持つSUS304Lに対しては、原子炉運転温度下での破断ひずみと同等の値を示したが、粗粒のSUS304Lでは破断ひずみが低下した。微細構造解析では、より結晶粒が微細な材料で87%以上の延性破面が観察され、特に0.59mの結晶粒径を持つSUS304Lでは{111}/3粒界が数多く存在する一方で、結晶粒径が大きくなるにつれてその割合が減少していた。これらの結果は、結晶粒微細化により、{111}/3粒界の増加を通じて、腐食の進行が遅延し、粒内SCCが抑制されたことを示唆している。

マルチモーダル化したマグネシウム合金の変形中の構成相・組織の挙動

Harjo, S.; Gong, W.; 相澤 一也; 山崎 倫昭*; 川崎 卓郎

日本材料学会第58回X線材料強度に関するシンポジウム講演論文集, p.58 - 60, 2024/07

The experiment and analysis procedures for a sample exhibiting multimodal structures were outlined. The sample, a MgZnY alloy, initially comprised two phases: the HCP matrix (Mg) and the long-period stacking ordered phase (LPSO), constituting approximately 25% of the volume. Through hot extrusion at 623 K with an extrusion ratio (R) of 5.0, the alloy was rendered multimodal. Specifically, at an R value of 5.0, dynamic recrystallization occurred partially within the Mg phase, resulting in a bimodal microstructure. This microstructure consisted of a deformed Mg component and a recrystallized Mg component. An analysis employing Electron Backscatter Diffraction (EBSD) data facilitated multimodal characterization, enabling successful determination of stresses within the individual Mg components, as well as the LPSO phase stress.

Analyses of stress intensity factor solutions for subsurface flaws in flat plates

Li, S.; Li, Y.; Lu, K.*; Lacroix, V.*; Dulieu, P.*

Proceedings of the ASME 2024 Pressure Vessels & Piping Conference (PVP 2024) (Internet), 18 Pages, 2024/07

https://doi.org/10.1115/PVP2024-122733

The stress intensity factor (SIF) solutions for subsurface flaws in flat plates are provided in Appendix A of ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section XI. A part of the SIF solutions was initially provided in the 2015 edition. The solutions were obtained for the fourth order polynomial stress distribution base on the influence function method. The solutions were expanded in the 2021 edition for subsurface flaws near the surface of the plate. The additional solutions were obtained based on the J-integral from the elastic finite element analyses. However, recent investigations have found that there is a minor discrepancy in trend between the two sets of SIF solutions because they were obtained by using different numerical methods. Although the discrepancy is very small, the change in trend causes some difficulties in engineering applications. In this work, the SIF solutions are recalculated using the same numerical method based on the J-integral from elastic finite element analyses. The results are compared with the solutions in the current Section XI, RSE-M, and are finally cross-checked with the results obtained from an independent numerical model. The results are useful to eliminate the discrepancy in trend in the SIF solutions for subsurface flaws in flat plates in the current edition of Section XI.

Quantitative analysis of microstructure evolution, stress partitioning and thermodynamics in the dynamic transformation of Fe-14Ni alloy

Li, L.*; 宮本 吾郎*; Zhang, Y.*; Li, M.*; 諸岡 聡; 及川 勝成*; 友田 陽*; 古原 忠*

Journal of Materials Science & Technology, 184, p.221 - 234, 2024/06

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.10.037

Dynamic transformation (DT) of austenite () to ferrite () in the hot deformation of various carbon steels was widely investigated. However, the nature of DT remains unclear due to the lack of quantitative analysis of stress partitioning between two phases and the uncertainty of local distribution of substitutional elements at the interface in multi-component carbon steels used in the previous studies. Therefore, in the present study, a binary Fe-Ni alloy with + duplex microstructure in equilibrium was prepared and isothermally compressed in + two-phase region to achieve quantitative analysis of microstructure evolution, stress partitioning and thermodynamics during DT. to DT during isothermal compression and to reverse transformation on isothermal annealing under unloaded condition after deformation were accompanied by Ni partitioning. The lattice strains during thermomechanical processing were obtained via in-situ neutron diffraction measurement, based on which the stress partitioning behavior between and was discussed by using the generalized Hooke's law. A thermodynamic framework for the isothermal deformation in solids was established based on the basic laws of thermodynamics, and it was shown that the total Helmholtz free energy change in the deformable material during the isothermal process should be smaller than the work done to the deformable material. Under the present thermodynamic framework, the microstructure evolution in the isothermal compression of Fe-14Ni alloy was well explained by considering the changes in chemical free energy, plastic and elastic energies and the work done to the material. In addition, the stabilization of the soft phase in Fe-14Ni alloy by deformation was rationalized since the to transformation decreased the total Helmholtz free energy by decreasing the elastic and dislocation energies.

Prediction of interfacial shear stress and pressure drop in vertical two-phase annular flow

Zhang, H.*; 梅原 裕太郎*; 吉田 啓之; 森 昌司*

International Journal of Heat and Mass Transfer, 218, p.124750_1 - 124750_11, 2024/01

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124750

The interfacial shear stress and pressure drop of an upward vertical annular flow of nitrogen-water, HFC134a-water, and nitrogen-95% ethanol solution were comprehensively investigated considering the effect of the liquid-gas density ratio and surface tension. A direct link between the disturbance wave height and equivalent sand-grain roughness was noted through the analogy with the famous Moody chart for single-phase turbulent flows. A predictive model of the interfacial friction factor was developed based on this finding. To predict the pressure drop of the annular flow, a new model with good predictive performance for annular flows of various working fluids including steam-water under boiling water reactor operating condition (286C and 7MPa) was proposed.

Unstable stress-triaxiality development and contrasting weakening in two types of high-strength transformation-induced plasticity (TRIP) steels; Insights from a new compact tensile testing method

松野 崇*; 藤田 大樹*; 松田 知子*; 柴山 由樹; 北條 智彦*; 渡邊 育夢*

Journal of Materials Processing Technology, 322, p.118174_1 - 118174_16, 2023/12

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118174

変態誘起塑性(TRIP)鋼の加工硬化における高応力三軸度の影響は、特にオーステナイト体積率の測定結果から幅広く知られている。プレス成形プロセスにおける材料の破壊予測のためには、このTRIP挙動を明らかにすることが重要である。しかし、高応力三軸度条件における流動応力の形成メカニズムは未解明である。本研究では、TRIP鋼の応力三軸度誘起による加工硬化挙動を調査するため、微小ノッチ付き丸棒を用いた新たな引張試験手法を開発した。測微法を用いて試験片をモデル化し、有限要素解析によって引張試験中の流動応力の同定に成功した。また、開発した引張試験手法と放射光X線回折を組み合わせ、応力形成挙動をその場測定した。TRIP型ベイニティックフェライト鋼では、流動応力と応力三軸性が不安定に増加し、加工硬化指数が低下して、より高い応力三軸性が誘起されることを明らかにした。一方、TRIP型マルテンサイト鋼は、鋭いノッチの場合、加工硬化指数の急激な減少によって特徴づけられる弱化挙動を示した。X線回折の結果から、鋼材内部の微視組織の不均一性がオーステナイト相に非常に高い静水圧応力をもたらすことで、これらの対照的な挙動が説明できると結論づけた。本研究結果は、応力三軸度を考慮したTRIP鋼のプレス成形プロセスに関する枠組みについて、新たに応力三軸度を考慮した枠組みが必要であることが示唆される。