○実施内容 ■異材溶接ラッパ管製造技術開発 ⇒現在の高速炉の構造上、PNC-FMSとSUS316の異材溶接が必要 ・溶接部の特性が失われない溶接技術 ・従来技術および設備で対応が可能な製造技術 ・仕様上の要求項目を従来材と同様に達成可能な製造技術 ■異材溶接部の機械的性質評価 ⇒溶接部の健全性を確認するための強度評価が必要 ■異材溶接部の材料強度基準整備 ⇒実用化に向けて許認可に必要な材料強度基準の整備が必要 ・材料強度(引張強度、衝撃特性) ・母材部の材料強度との比較-評価 ・母材の材料強度基準適用可否検討 ■異材溶接部の照射試験 ⇒材料強度基準整備のための環境効果(照射効果)データの 取得が必要 ・照射効果(引張、曲げ)の確認 ○ 研究の背景 / 目的 高速中性子照射下での耐スエリング性がオーステナイト系ステンレス鋼に比べて格段に優れ、長期使用が期待できるフェライト/マルテンサイト 鋼(以下PNC-FMS鋼：公称組成 0.12C-11Cr‐0.5Mo‐2W-0.2V-0.05Nb-0.05N)は実用化集合体ラッパ管材料として期待されている。常陽、もんじゅで は炉心支持板がオーステナイト鋼であるため、熱膨張差による燃料集合体との隙間からのリーク流量を抑制する上でエントランスノズルおよびハ ンドリングヘッドはオーステナイト鋼にする必要がある。そのためPNC-FMS鋼とオーステナイト系ステンレス鋼(SUS316)との異材接合が必要となる。 その場合、PNC-FMS鋼熱影響部は硬化するため溶接後熱処理が必要となり、また、PNC-FMS鋼側の溶接境界部にはδフェライト相が生成し、靱性を 著しく損なう恐れがある。この問題を解決するため、ラッパ管製造過程において、予めPNC-FMS鋼ラッパ管の両端に短尺のSUS316鋼をTIG溶接した 後、一体で加工熱処理を施して仕上げる複合ラッパ管製造技術を開発する。 フェライト鋼ラ ッパ管の実用化 技術評価 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 JFY.1999 Phase4 Phase3 Phase2 Phase1 工程 フェライト鋼ラ ッパ管の実用化 技術評価 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 JFY.1999 Phase4 Phase3 Phase2 Phase1 工程 中間報告 実用化候補概念の選定 燃料ｻｲｸﾙｼｽﾃﾑの確定 技術基盤の整備完了 ▼ ▼ ▼ ▼ 異材溶接技術開発･強度基準の整備 照射特性評価(｢常陽｣ﾌｪﾗｲﾄ鋼のPIE) 実用化見通し評価 C6Dラッパ管交換 ｢常陽｣MK-Ⅱからの継続照射 ｢もんじゅ｣ 運転燃料 15万MWd/t, 120dpa (*) 図中の燃焼度､照射量はﾋﾟｰｸ値 (PIE期間は含まない) CMIR-3からの継続照射分：最大約50dpa 9万MWd/t, 75dpa 異材溶接部：20dpa 核特性リグ(PIE：引張、曲げ) 250dpa 190dpa CMIR(継続照射、母材) CMIR(新規装荷、母材/異材溶接材) FFTF実機ラッパ管(ACO3) 200dpa ｢常陽｣MK-Ⅱ 8万MWd/t, 63dpa 16万MWd/t, 130dpa 「常陽」(or｢もんじゅ｣)集合体照射試験 10万MWd/t, 100dpa 23万MWd/t, 250dpa(2016) 材料照射 材料照射 燃料集合体照射 燃料集合体照射 (15Cr20Ni (15Cr20Ni被覆管被覆管/FMS/FMSラッパ管ラッパ管)) 燃料集合体照射 燃料集合体照射 (ODS (ODS鋼被覆管鋼被覆管/FMS/FMSラッパ管ラッパ管)) ～50dpa PNC-FMSラッパ管の開発計画
○フェーズⅡ期間中の研究成果 ■異材溶接ラッパ管製造技術開発 ラッパ管製造過程において、予めPNC-FMS鋼ラッパ管の 両端に短尺のSUS316鋼をTIG溶接した後、一体で加工熱処 理を施して仕上げる複合ラッパ管製造技術を開発した。 （1）特長 ・丸管どうし(PNC-FMS/SUS316)のTIG溶接容易 ・ラッパ管との一体加工による曲がり矯正 ・製造メーカでのラッパ管熱処理時にδフェライト相消失 ・エントランスノズル、ハンドリングヘッドとの溶接は 従来技術で対応可 （2）溶接時の問題と解決方法 溶接時の入熱により、PNC-FMS側溶接熱影響部に δフェライト相生成 ↓ ラッパ管として使用中に靭性低下の懸念 ↓ 溶接後熱処理にてδフェライト消失 （3）仕様上の要求項目 ・長さ、肉厚、対面間距離、ねじれ、真直度等 の仕様上の要求項目は、従来材と同様に達成 ハンドリング ヘッド (SUS316) 炉心支持板 (SUS316,SUS304) ラッパ管 (PNC-FMS) 燃料集合体 エントランス ノズル (SUS316) 異材 溶接 異材 溶接 FMS 管 溶接部 (Ni-20Cr) TIG溶接 熱処理 SUS 継手 六角抽伸 異材溶接ラッパ管 異材溶接部 強度評価
50
SUS316
2000
50
SUS316
PNC-FMS
α+(V,Nb)N+Laves+M23C6 α+(V,Nb)N+M23C6 γ+(V,Nb)(N,C) γ+(V,Nb)N+M23C6 γ δ+γ δ L+δ L δ+γ+ (V,Nb)(N,C) 0 0.1 0.2 0.3 Carbon (wt%) 600 800 1000 1200 1400 T e mp er at ur e (℃ ) δ+γ+(V,Nb)N+M23C6 α+(V,Nb)N+Laves+M23C6 α+(V,Nb)N+M23C6 γ+(V,Nb)(N,C) γ+(V,Nb)N+M23C6 γ δ+γ δ L+δ L δ+γ+ (V,Nb)(N,C) 0 0.1 0.2 0.3 Carbon (wt%) 600 800 1000 1200 1400 T e mp er at ur e (℃ ) δ+γ+(V,Nb)N+M23C6 PNC-FMSの状態図 PNC-FMS SUS316 1.9mm 溶接金属 ,φ 2 60° 圧延方向 55±5A 17V Ar,8?/min 軟化焼 鈍:800℃×30min・Ar冷却 冷間圧延 焼ならし・焼戻し:1050℃×40min・Ar冷却 → 720℃×40min・Ar冷却) (Ni-20Cr-3Nb) 異材溶接方法 ,8ℓ/min TIG溶接 25μm 25μm δフェライト相消失 PNC-FMS 溶接金属 25μm25μm δフェライト相生成 （1）異材接合ラッパ管製造技術 （2）異材溶接方法 （3）異材溶接ラッパ管の外観○ フェーズⅡ期間中の研究成果(2) ■機械的性質 異材溶接部の機械的性質を評価する目的で引張およびシャ ルピー衝撃試験等を実施した。 （1）引張強度 溶接境界部の引張強度はSUS母材と同等以上 （2）衝撃特性 溶接境界部の衝撃特性はFMS母材と同等以上 ↓ 異材溶接部としての材料強度基準は、母材の 基準を適用 ■ラッパ管の接合方法に関する課題 接合部の熱膨張差応力や接合部での冷却材リークを 考慮し、ハンドリングヘッドおよびエントランス ノズル材質も含めて接合方法を検討した。 （1）上部 ・ハンドリングヘッド材質 SUS316 ・接合方法 異材溶接または機械接合の適用 （2）下部 ・エントランスノズル材質 SUS316 ・接合方法 異材溶接の適用可 SUS316 PNC-FMS 溶接金属 異材溶接材 SUS母材部で破断 平均式 設計式 実績値
引張特性
衝撃特性 USE: 12.5J DBTT:-119℃ 25μm PNC-FMS 溶接金属 PNC-FMS SUS316 溶接金属 亀裂 試験温度 -100℃ 延性破面率(%) 吸収エネルギー(J) 破断後試験片外観 断面ミクロ組織 600℃×50000h時効材 PNC-FMS溶接境界部に沿って亀裂伝播 上 部 下 部 接合 位置 PNC-FMS製 ﾊﾝﾄﾞﾘﾝｸﾞﾍｯﾄﾞ SUS316製 ﾊﾝﾄﾞﾘﾝｸﾞﾍｯﾄﾞ SUS316製 ｴﾝﾄﾗﾝｽﾉｽﾞﾙ PNC-FMS製 ｴﾝﾄﾗﾝｽﾉｽﾞﾙ FMS鋼ﾗｯﾊﾟ管 との接合方法 共材溶接 異材溶接 （TIG⇒圧延) 機械接合 共材溶接 異材溶接 (TIG⇒圧延） 機械接合 課題 適用性 ・上部ﾊﾟｯﾄﾞ部の脆性破壊防止基準 (溶接後熱処理が必要) ・接合部の熱膨張差応力 (製造時残留応力を考慮) ・炉心支持板との間での冷却材ﾘｰｸ回避 (溶接後熱処理が必要) ・接合部での冷却材ﾘｰｸ（影響小） ・接合部の熱膨張差応力（影響小の可能性） ・機械接合部での冷却材ﾘｰｸ回避 ・ﾊﾝﾄﾞﾘﾝｸﾞﾍｯﾄﾞ ・ｴﾝﾄﾗﾝｽﾉｽﾞﾙ 難 難 難 可能性有り ・接合部の熱膨張差応力（影響小） 可能性有り 適用可能 上 部 下 部 接合 位置 PNC-FMS製 ﾊﾝﾄﾞﾘﾝｸﾞﾍｯﾄﾞ SUS316製 ﾊﾝﾄﾞﾘﾝｸﾞﾍｯﾄﾞ SUS316製 ｴﾝﾄﾗﾝｽﾉｽﾞﾙ PNC-FMS製 ｴﾝﾄﾗﾝｽﾉｽﾞﾙ FMS鋼ﾗｯﾊﾟ管 との接合方法 共材溶接 異材溶接 （TIG⇒圧延) 機械接合 共材溶接 異材溶接 (TIG⇒圧延） 機械接合 課題 適用性 ・上部ﾊﾟｯﾄﾞ部の脆性破壊防止基準 (溶接後熱処理が必要) ・接合部の熱膨張差応力 (製造時残留応力を考慮) ・炉心支持板との間での冷却材ﾘｰｸ回避 (溶接後熱処理が必要) ・接合部での冷却材ﾘｰｸ（影響小） ・接合部の熱膨張差応力（影響小の可能性） ・機械接合部での冷却材ﾘｰｸ回避 ・ﾊﾝﾄﾞﾘﾝｸﾞﾍｯﾄﾞ ・ｴﾝﾄﾗﾝｽﾉｽﾞﾙ 難 難 難 可能性有り ・接合部の熱膨張差応力（影響小） 可能性有り 適用可能 （1）異材溶接部の機械的性質 （2）ラッパ管の接合方法に関する課題○ フェーズⅡ期間中の研究成果(3) ■ラッパ管の設計基準の検討 （1）評価項目 ・不安定クラックの伝播防止(脆性破壊防止） のための設計基準については新たに暫定案 を策定した。 ■材料強度基準整備 ラッパ管部については、すでに暫定案を策定済み。 新たに、異材接合部について検討した。 （1）材料強度 ・各母材(PNC-FMS,SUS316)の数値を重ねあわせ、 小さい方の値を適用可能 （2）環境効果 ・照射試験(核特性リグ、20dpa)終了 ↓ PIE実施予定 （3）材料物性 ・各部位(PNC-FMS,SUS316,溶接金属)の値をそれ ぞれ適用可能 破損形式 ◆引張破断、又は過大な塑性変形 ◆長期荷重クリープ破断 ◆熱クリープ損傷+疲労損傷 設計方針(弾性解析) 従来評価法を適用 新たに検討実施 ・脆性破壊防止のための設計基準 ◆不安定クラックの伝播 パラメータ DBTT USE K1C 延性温度域 評価結果 ＜150(℃) ＞50(J) ＞100(MPa・m 0.5) 脆性温度域 ＞30(MPa・m 0.5) パラメータ DBTT USE K1C 延性温度域 評価結果 ＜150(℃) ＞50(J) ＞100(MPa・m 0.5) 脆性温度域 ＞30(MPa・m 0.5) DBTT : Ductile-Brittle-Transition -Temperature 延性脆性遷移温度 USE ：Upper Shelf Energy
上部棚エネルギー K1C ：破壊靭性値 母材 材料強度 設計応力強さ Sm ○ 設計降伏点 Sy ○ 設計引張強さ Su ○ 設計クリープ破断応力強さ SR ○ 許容繰返し数 N ○ 累積損傷制限値 D ○ 環境効果 Na腐食量 ○ 短時間強さ補正係数 ○(15～30dpa) 延性・脆性遷移温度 ○(40～70dpa) 材料物性 ヤング率 ○ ポアソン比 ○ 平均熱膨張係数 ○ 熱伝導度 ○ 比熱 ○ 密度 ○ 変態点 ○ 異材溶接部 項目 各母材(PNC-FMS,SUS316) の数値を重ねあわせ、小 さい方の値を適用 照射試験(核特性リグ, 20dpa)終了→PIE実施予定 各部位(PNC-FMS,SUS316, 溶接金属)の値をそれぞれ 適用 （1）設計基準の検討 （2）材料強度基準の整備
○ 公開資料
査読付論文
(1) Empirical Correlation of Specimen Size Effects in Charpy Impact Properties of 11Cr-0.5Mo-2W,V,Nb Ferritic-Martensitic Stainless Steel, A.Uehira and S.Ukai, J.Nucl.Scie. and Technol., Vol.41,No.10 (2004)973
(2) Development of Manufacturing Process of PNC-FMS Wrapper Tube with SUS316 Short Joint, T.Narita, S.Ukai and M.Fujiwara, J.Nucl.Scie. and Technol., Vol.42, No.9 (2005) 特許 (1) 第3572285号 「溶接継手付きラッパ管及びその製造方法」 畠山耕一、鵜飼重治、奥田隆成、藤原優行 ○ まとめおよび今後の課題 ①異材溶接技術開発：PNC-FMSを実用化燃料集合体ラッパ管に適用するために、PNC-FMS/SUS316異材溶接ラッパ管製造技術を開発した。 ②設計基準の検討 ：脆性破壊防止のための設計基準を新たに検討した。 ③材料強度基準整備：PNC-FMS母材の材料強度基準を策定した。PNC-FMS/SUS316異材溶接部は、各母材の材料強度基準を適用可能である。 ④照射計画 ：PNC-FMS母材については、～70dpa程度の照射試験を実施し、環境効果として材料強度基準に反映した。今後高照射データを 蓄積していく計画である。
