分子軌道法による原子炉用ジルコニウム合金の耐食機能設計

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 07555500
• Research Category: Grant-in-Aid for Developmental Scientific Research (B)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 森永 正彦 名古屋大学, 工学部, 教授 (50126950)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 東中川 恵美子 (株)東芝, 研究開発センター材料デバイス研究所, 研究主幹 ; 江崎 尚和 鈴鹿工業高等専門学校, 助教授 (80160357) ; 村田 純教 豊橋技術科学大学, 工作センター, 助教授 (10144213)
• Keywords: 腐食 / ジルコニウム合金 / 分子軌道法 / ジルコニア

Research Abstract

現在の主要な発電用原子炉において、その炉心部分にはジルコニウム合金が使われている。このジルコニウム合金の表面には、局部腐食(いわゆるノジュラー腐食)が起こり問題となっている。さらに、ウラン資源の有効利用を目的として進められている核燃料の高燃焼度化の要請とあいまって、耐食ジルコニウム合金の開発が強く望まれている。本研究の第1の目的は、ジルコニウム合金の均一および局部腐食(ノジュラー腐食)のメカニズムを解明し、腐食機能設計のための指針を得ることである。このため、表面腐食皮膜の、化学成分および電子状態について、詳しく調べる。併せて、各種合金元素を含む皮膜のジルコニアの電子構造の計算を分子軌道法(DV-Xαクラスター法)を用いて行う。第2の目的と、この成果を基に、現用のジルカロイ合金よりも耐食性の優れた新しいジルコニウム合金の設計を行い、上記の社会的要請に応えようとするものである。
初年度である平成7年度においては、第1の目的に沿って研究を行い、以下の成果を得た。
1.ジルコニウム中の合金元素(3d,4d遷移金属とSn,Si,Al)の電子構造を、DV-Xαクラスタ法によって行い、各合金元素の特徴を結合次数を使って表した。
2元系合金(Zr-X,X=Sn,Fe,Cr,Ni)および実用ジルカロイ-2およびジルカロイ-4を用いて、520°C,10.3MPaの腐食条件下でオートクレーブ腐食試験を行った。そして均一腐食およびノジュラー腐食の発生と合金元素との間の関係を明らかにした。
3.XPSにより上記試料の腐食表面層の解析を行った。合金元素の分布状態に注目して調べた結果、例えばFeはかなり分布状態が不均一であることがわかった。