圧力容器の照射脆化と健全性評価

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(1)プロジェクト課題. 圧力容器の照射脆化と健全性評価背景・目的長期運転経年炉で考慮すべき事象の一つに、核分裂で発生する中性子の照射を受けて圧力容器鋼材の機械特性が変化すること（照射脆化）があり、原子炉を長期にわたって安全に運転するためには、照射脆化を精度良く予測することが必要である。当研究所ではミクロ組織レベルでの照射脆化の機構の理解に基づく照射脆化予測法を開発し、その成果は日本電気協会技術規程 JEAC 4 2 0 1−2 0 0 7 に反映された。今後予想される長期運転に備えて、照射量が高い場合の照射脆化予測の精度向上と圧力容器の健全性評価手法の高度化が必要とされている。本課題では、高照射量領域での照射脆化の機構解明を行い、予測法の検証と改良を進めるとともに、健全性評価の高度化に必要な新たな技術開発を行う。. 主な成果 1．照射脆化への照射速度の影響評価長期運転に相当する照射を短時間で行うために、時間当たりの照射量（照射速度）を大きくした試験が行われる。米国カリフォルニア大学との共同研究において、当研究所の三次元アトムプローブ観察技術を用いて照射速度が原子レベルのミクロ組織に与える影響を調べた。照射により形成される溶質原子のクラスター（図 1）は、照射速度が非常に大きいと、大きさが小さく、個数が増えることがわかった。また、照射された材料を高温に加熱してミクロ組織を調べたところ、照射速度が大きいほど加熱によるミクロ組織の変化が大きいことがわかった（図 2）。これは照射速度が違うと異なるミクロ組織が形成されることを示している［Q 0 9 0 2 1］。 2．ミクロ組織形成機構の解明のための計算機シミュレーション三次元アトムプローブで観察される溶質原子のクラスター形成の機構を調べる上で、スーパーコンピュータを用いた計算機シミュレーションは有効な研究手段である。ここでは、第一原理分子動力学法により原子空孔の拡散と溶質原子の相互作用を高精度に求め、これを用いた空孔の拡散による溶質原子のクラスター形成のシミュレーションを実施した。原子空孔を核として溶質原子が集合しクラスターを形成する様子を捉えた（図 3）［Q 0 9 0 2 2］。 3．微小硬さ試験法を用いた高精度硬さ測定硬さ試験法は照射脆化を測定する簡便な実験手法であるが、測定間のばらつきが大きいことが課題であった。ここでは、数グラムの荷重による微小硬さ試験法を用いて、1 0 0 0 点以上の多点硬さ測定を行うことの有効性を検討した。その結果、硬さのばらつきは金属組織に対応していること（図 4）、多点測定により硬さの分布を比較することにより、照射による僅かな硬さ変化を精度よく求められることを示した（図 5）［Q 0 9 0 1 4］。その他の報告書［Q0 9 0 2 9］［Q0 9 0 2 6］［Q0 9 0 1 5］ 6.

(2) 原子力技術原子力技術原子力技術原子力技術原子力技術溶質原子のクラスター溶質原子のクラスター溶質原子のクラスター溶質原子のクラスター. 100nm 100nm 100nm 100nm. 280nm 280nm 280nm 280nm. 図図1 三次元アトムプローブにより観察された原子マップ 1 三次元アトムプローブにより観察された原子マップ図図1図 1 三次元アトムプローブにより観察された原子マップ 1三次元アトムプローブにより観察された原子マップ三次元アトムプローブにより観察された原子マップ測定体積内に55400 万個の原子が含まれるが、ここでは銅とシリコンの原子だけを表示している（オレンジ色の測定体積内に 4 0 0 万個の原子が含まれるが、ここでは銅とシリコンの原子だけを表示している（オレンジ色測定体積内に測定体積内に 5400 5400 万個の原子が含まれるが、ここでは銅とシリコンの原子だけを表示している（オレンジ色の万個の原子が含まれるが、ここでは銅とシリコンの原子だけを表示している（オレンジ色の測定体積内に 5400 万個の原子が含まれるが、ここでは銅とシリコンの原子だけを表示している（オレンジ色の点：Cu、グレー色の点：Si）。銅が集合したクラスターが高密度で形成されている様子がわかる。の点：Cu、グレー色の点：Si）。銅が集合したクラスターが高密度で形成されている様子がわかる。点：Cu、グレー色の点：Si）。銅が集合したクラスターが高密度で形成されている様子がわかる。点：Cu、グレー色の点：Si）。銅が集合したクラスターが高密度で形成されている様子がわかる。点：Cu、グレー色の点：Si）。銅が集合したクラスターが高密度で形成されている様子がわかる。ミクロ組織の変化ミクロ組織の変化ミクロ組織の変化（加熱後－加熱前）／加熱前（焼鈍後－焼鈍前）／焼鈍前ミクロ組織の変化（加熱後－加熱前）／加熱前（加熱後－加熱前）／加熱前（焼鈍後－焼鈍前）／焼鈍前（焼鈍後－焼鈍前）／焼鈍前（加熱後－加熱前）／加熱前（焼鈍後－焼鈍前）／焼鈍前. 0 0 0 0 T16 T16 T16 T16. -0.1 -0.1 -0.1 -0.1. T5 T5T5T5 G5 G5G5G5. G3 G3G3G3. -0.2 -0.2 -0.2 -0.2. ミクロ組織ミクロ組織ミクロ組織ミクロ組織数密度 -0.3 数密度数密度数密度 -0.3 -0.3 -0.3 体積率体積率体積率体積率直径直径直径直径 -0.4 -0.4 -0.4 -0.4 0.1 1 10 0.10.10.1 11 1 10102 102 12 12n/cm (x10 中性子照射速度照射速度（x10 n/cm -s）-s) 12 12 1221222 22 2 12 12 (x10 (x10 n/cm n/cm -s)-s）中性子照射速度中性子照射速度照射速度（x10 照射速度（x10 n/cm n/cm -s） (x10 n/cm -s)-s) 中性子照射速度照射速度（x10 n/cm -s）. 100 100 100 100. 図 2 加熱によるミクロ組織の変化図 3 原子空孔（赤）の拡散による溶質原子（緑：Cu、図 2 加熱によるミクロ組織の変化図図 2図 2加熱によるミクロ組織の変化加熱によるミクロ組織の変化図図図 3図原子空孔（赤）の拡散による溶質原子（緑：Cu、 3原子空孔（赤）の拡散による溶質原子（緑：Cu、原子空孔（赤）の拡散による溶質原子（緑：Cu、 2加熱によるミクロ組織の変化 33 原子空孔（赤）の拡散による溶質原子（緑：照射速度が小さい条件では加熱による変化はないが、青：Ni、黄：Si）クラスターの形成照射速度が小さい条件では加熱による変化はないが、照射速度が小さい条件では加熱による変化はないが、青：Ni、黄：Si）クラスターの形成青：Ni、黄：Si）クラスターの形成照射速度が小さい条件では加熱による変化はないが、青：Ni、黄：Si）クラスターの形成照射速度が小さい条件では加熱による変化はないが、 Cu、青：Ni、黄：Si）クラスターの形成照射速度が大きいと加熱により大きく変化し、照射速度原子空孔を核にクラスターが形成されている。照射速度が大きいと加熱により大きく変化し、照射速度照射速度が大きいと加熱により大きく変化し、照射速度原子空孔を核にクラスターが形成されている。原子空孔を核にクラスターが形成されている。照射速度が大きいと加熱により大きく変化し、照射速度照射速度が大きいと加熱により大きく変化し、照射原子空孔を核にクラスターが形成されている。原子空孔を核にクラスターが形成されている。によりミクロ組織が異なることがわかる。によりミクロ組織が異なることがわかる。によりミクロ組織が異なることがわかる。によりミクロ組織が異なることがわかる。速度によりミクロ組織が異なることがわかる。 0.25 0.25 0.25 0.25. 照射量 Unirrad. 未照射材照射量照射量照射量 19 n/cm 2 Unirrad. Unirrad. 未照射材未照射材 Unirrad. 6.7x10 未照射材 φt=6.7e19n/cm2. 0.20 0.20 0.20 0.20. 相対度数 Relative frequency 相対度数相対度数 Relative frequency Relative frequency 相対度数 Relative frequency. 19 n/cm 20 192n/cm 19 6.7x10 6.7x10 1.3x10 φt=6.7e19n/cm2 φt=6.7e19n/cm2 6.7x10 n/cm22 2 φt=6.7e19n/cm2 φt=1.3e20n/cm2 20 n/cm 202n/cm 20 n/cm 2 2 1.3x10 1.3x10 1.3x10 φt=1.3e20n/cm2 φt=1.3e20n/cm2 φt=1.3e20n/cm2. 0.15 0.15 0.15 0.15 0.10 0.10 0.10 0.10 0.05 0.05 0.05 0.05. 190 190190 210 190 210210 230 210 230230 250 230 250250 270 250 270270 290 270 290290 310 290 310310 330 310 330330 350 330 350350 370 350 370370 390 370 390390 410 390 410410 410. 0.00 0.00 0.00 0.00. HIT(mgf/m2). 2） 2) 2 微小硬さ（mgf/μm HIT(mgf/m HIT(mgf/m HIT(mgf/m ) 2) 2）2 2）微小硬さ（mgf/μm 微小硬さ（mgf/μm 微小硬さ（mgf/μm ）. 図図 4 小硬さ試験機により多点測定した 2 × 2mm 4 微微小硬さ試験機により多点測定した 2×2mm の図図 5 5 中性子照射された圧力容器鋼の硬さ分布中性子照射された圧力容器鋼の硬さ分布図図4図 4微小硬さ試験機により多点測定した微小硬さ試験機により多点測定した 2×2mm 2×2mm ののの図図5図中性子照射された圧力容器鋼の硬さ分布 5中性子照射された圧力容器鋼の硬さ分布中性子照射された圧力容器鋼の硬さ分布 4微小硬さ試験機により多点測定した 2×2mm 5 の領域内の硬さ分布分布を比較することで、僅かな硬さの変化を正確に領域内の硬さ分布分布を比較することで、僅かな硬さの変化を正確に領域内の硬さ分布領域内の硬さ分布分布を比較することで、僅かな硬さの変化を正確に分布を比較することで、僅かな硬さの変化を正確に領域内の硬さ分布分布を比較することで、僅かな硬さの変化を正確に測定可能することができる。黄色から赤の硬い領域は炭化物等が多く形成されて黄色から赤の硬い領域は炭化物等が多く形成されて測定可能することができる。測定可能することができる。黄色から赤の硬い領域は炭化物等が多く形成されて黄色から赤の硬い領域は炭化物等が多く形成されて測定可能することができる。測定可能することができる。黄色から赤の硬い領域は炭化物等が多く形成されており、硬さと金属組織が良く対応する。おり、硬さと金属組織が良く対応する。おり、硬さと金属組織が良く対応する。おり、硬さと金属組織が良く対応する。おり、硬さと金属組織が良く対応する。. 2 22 2. 7.

(3)