原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

１．研究開発の背景とねらい

　これまでに導入されている原子炉構造材料の劣化診断技術としては、超音波探傷法、渦電流探傷法等が挙げられるが、いずれもすでに構造材料に微細き裂などの損傷が発生した後に検知可能な診断法である。一方これまでに著者らが行った研究では組成が異なる高純度モデルオーステナイト系ステンレス合金の1dpa、5dpa中性子照射材において、IASCC感受性と漏えい磁束密度の間に相関関係が示されている[1]。そのため本事業は、超臨界圧水冷却高速炉システムの炉内構造材料において生じる照射誘起応力腐食割れ（IASCC）対策のため、き裂発生以前の予兆段階を非破壊的に検知できる材料劣化予兆診断システムの開発を目的として行っている。

２．研究開発成果

2.1 原理解明研究
　IASCC感受性と磁気的性質の相関関係の原理解明のため、平成17年度においては照射誘起偏析のうち粒界における幅数nmのCr欠乏を熱処理によって模擬したSUS304試験片を用いて研究を行った。その結果、粒界耐食性劣化とSCC感受性の間には相関関係が見られ、また一方で渦電流法のプローブ電圧とSCC感受性の間にも相関関係が見られた[2]。さらに平成18年度に行ったこれらの試験片の磁気力顕微鏡(MFM)観察では、粒界で磁区構造の変化が見られた。以上の結果から、照射誘起偏析レベルの幅数nmの粒界Cr欠乏層における磁性相生成がIASCC感受性と磁気的性質の相関関係に関係している可能性が示された。また、平成19年度においては粒界でのNi富化等、より照射材に近い条件での照射誘起偏析の寄与を評価するため、SUS304を基に母材の組成をNi:30mass%、Cr:10mass%に調整した試験片を鋭敏化熱処理（650℃/45分）し、粒界組成をNi:30mass%、Cr:5mass%程度とした試験片について評価を行った。その結果、MFM観察において図1に示すように粒界部分で磁区構造の変化が見られ、また熱処理前後で漏えい磁束密度の変化が見られた。以上の結果から、照射誘起偏析による粒界部分でのNi富化、Cr欠乏による磁性相の生成がIASCC感受性と磁気的性質の相関関係に関係している事が示された[3]。また過去の知見から、生成した磁性相はパーマロイ(FeNi₃)と考えられた[4]。
　以上の模擬材で得られた知見が実際の中性子照射材に適用可能であることを確認するため、平成19年度において既存の中性子照射試料の電子顕微鏡観察結果を再解析し、磁性相生成を評価した[5]。その結果、照射材においても磁性相であるパーマロイ(FeNi₃)が生成していたことが示され、上記の原理の妥当性が示された。
　また組成の異なる3種類の高純度ステンレス合金の1dpa, 5dpa中性子照射材について漏えい磁束密度測定を行い、既存のIASCC感受性データとの比較を行った。その結果をその他の組成の合金の既存データと共に図2に示す[6]。Sが多く添加された合金(HP304/S：★)においては照射によって粒界にMnS等が析出し、IASCC感受性を上昇させる一因となる可能性が報告されている[7]。MnSは磁気的性質には寄与しないため、図2中に示されるように、この合金のIASCC感受性に対して磁束密度の値が低い傾向となったと考えられる。このことから磁気的手法によるIASCC感受性の評価を実機に適用する際には、合金組成に注意して判断を行うべきであることが示された。

2.2 機器開発研究
　実機に適用可能なモニタリングシステム開発のため、平成17、18年度に耐放射線性などを向上させた、直流磁気センサーおよび交流磁気センサーの開発を行った。それらを用いて上記模擬材の測定を行い、従来のセンサーの性能を保持していることが示された。また、平成19年度はそれらセンサーの耐放射線性を証明するため、センサーにガンマ線照射を行っている。PWRにおける通常メンテナンス時の被ばく線量は約100Gy程度、異常時における被ばく線量は約1MGy程度とされているが、開発したセンサーは180kGy程度までの照射では性能劣化は起きないことが示されている[8]。またこれらのセンサーを用いたモニタリングシステム開発を行った。それを用いた中性子照射材の測定を行うため現在ホットラボにおいて試験片調整及び測定準備作業を行っている。

３．今後の展望

　IASCC感受性と磁気の相関性に関する原理解明研究はほぼ完了の見通しがついた。残りの期間で第一原理計算などに基づくデータをさらに取得し、またMFM観察などで得られたミクロ電磁特性とマクロ電磁特性の関係を評価し、磁気測定による材料劣化の予兆診断手法の確立を完了させる。また実機に適用可能な炉内構造材料劣化予兆診断システムの開発に関連した装置開発はほぼ完了しており、所定の性能が示されている。今後、耐水性、耐熱性などの実機条件環境への耐久性を評価する。また中性子照射材の測定結果を検討し実機における測定条件の最適化等を行うことにより、検出原理の超臨界圧水冷却高速炉条件までの拡張を完了させる。

４．参考文献