2022 Fiscal Year Annual Research Report

事故耐性Fe-Cr-Al合金における高Cr脆化相の照射下シミュレーション技術開発

Research Project

Project/Area Number	22H02013
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Japan Atomic Energy Agency
Principal Investigator	阿部陽介国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門原子力科学研究所原子力基礎工学研究センター, 研究副主幹 (50400403)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	鵜飼重治国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門原子力科学研究所原子力基礎工学研究センター, 客員研究員 (00421529) 山下真一郎国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門原子力科学研究所原子力基礎工学研究センター, 研究主幹 (10421786) 佐々木泰祐国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主幹研究員 (30615993) 大久保成彰国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門原子力科学研究所原子力基礎工学研究センター, 主任研究員 (60391330)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2026-03-31
Keywords	事故耐性燃料被覆管 / FeCrAl合金 / イオン照射 / 照射相関 / フェーズフィールド法
Outline of Annual Research Achievements	R4年度は、CrとAlの濃度を変化させた14種類のFeCrAl合金を作製し、中性子照射データが存在する350℃でFeイオン照射を行った。損傷速度の高いイオン照射から損傷速度の低い中性子照射条件下でのCrリッチ析出物（α′相）の形成挙動を合理的に予測するために、1桁ずつ異なる3水準での損傷速度での照射実験を行い、α′相の形成状態を3次元アトムプローブ（3DAP）により調べた。熱時効実験による従来研究での報告と同様、Cr濃度の高いFeCrAl合金においてCrリッチクラスターが観察された。その一方で、Al濃度が高いFeCrAl合金ではCrリッチクラスターの形成がほとんど観察されないことが分かった。また、観察されたCrリッチクラスターは、熱時効実験で形成するα′相と比べて非常に低いCr濃度領域からなることが明らかになった。現在、詳細な分析を進めているところである。また、イオン照射との比較のための14種類のFeCrAl合金に対して、350℃で50時間の熱時効試験を実施した。ビッカース硬さ試験により、時効前後での硬さ変化を評価した。熱時効前のデータを重回帰分析することで、Alによる固溶強化がCrの約3倍であることを明らかにするとともに、Cr濃度の高いFeCrAl合金では熱時効によって硬さが有意に増加することが分かった。また、α′相の析出過程の照射影響を調べるため、これまでに開発・実装した擬スペクトル法による2次元フェーズフィールド計算モデルを3次元モデルに拡張し、実験データとの比較により妥当性を確認した。FeCr合金系からFeCrAl合金系に拡張中である。これと並行して、シミュレーションの妥当性検証に資する実験データを文献から収集し、15個程度の変数についてサンプルサイズ900程度のデータベースを構築した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason R4年度は、FeCrAl合金中での照射下でのα′相形成の促進・抑制効果の解明に関する研究を開始するにあたり、まず年度の前半に、α′相を形成するCrとその形成の抑制が期待されるAlに関して、中性子照射実験で報告されているものと同じ合金組成と、熱時効実験から類推されるα′相の臨界組成をまたぐ幅広い組成範囲をカバーする14種類のFeCrAl合金を選別・作製した。 R4年度後半から実施予定であった、損傷速度を変化させたイオン照射実験を前倒しで年度の前半から開始した。また、当初予定していた照射速度の変化範囲を2桁から3桁に増加することにより、α′相の形成挙動に与える照射速度影響をより詳細に検討することを可能とした。また、イオン照射の影響を明らかにするため、同じ14種類のFeCrAl合金に対して熱時効実験を行った。照射後試料を3DAP測定することにより、熱時効実験による従来研究での報告と同様、高Cr合金でCrリッチクラスターが観察された一方で、高Al合金ではCrリッチクラスターの形成がほとんど観察されなかった。現在、各合金試料におけるCrリッチクラスターの数密度やサイズなどの各種統計量の詳細解析を進めているところである。照射実験と並行して、照射下フェーズフィールド法による予測モデルの拡張開発を行った。これまでに開発・検証を実施済みであるFe-Cr合金に対する2次元モデルを3次元モデルに拡張し、熱時効実験の先行研究との比較により妥当性を確認した。全体的な進捗度としては、概ね計画目標を達成している。
Strategy for Future Research Activity	R4年度に作製したCrとAlの濃度を系統的に変化させた14種類のインゴットを用いて熱時効用およびイオン照射用のサンプルを作製する。これらを用いて、熱時効及びイオン照射によるα′相の生成挙動を調べる。 R4年度度は、中性子照射条件でのα′相形成挙動を合理的に予測するために、損傷速度を3桁振ったイオン照射実験マトリクスを考案し、継続的な照射実験により、低損傷量でのデータを取得した。本年度は、同じ照射条件での照射実験を継続することにより、高損傷量域でのデータを取得する。照射によるα′相の形成挙動を評価するため、3DAPを用いて、α′相のサイズ、数密度、体積率などの統計量を測定する。これにより、α′相形成に及ぼすCr濃度とAl濃度の依存性および照射速度の影響を調査する。本年度の後半は、温度の影響を明らかにするため、これまでの350℃に加えて450℃でのイオン照射実験を開始するとともに、α′相形成と照射欠陥の形成挙動の関連性を電子顕微鏡観察により調査する。また、イオン照射の影響を明らかにするため、イオン照射と同じ温度条件での熱時効試験を行うことにより、照射下でのα′相形成の促進・抑制効果を明らかにする。イオン照射実験および熱時効実験により得られたデータは、各条件の関数としてデータベース化し、照射下でのフェーズフィールド法のモデル作成及び検証に資する。イオン照射下でのα′相の形成挙動に関するシミュレーションモデル開発として、R4年度はFeCr合金に対して擬スペクトル法による2次元フェーズフィールド計算モデルを3次元モデルに拡張し、実験データとの比較により妥当性を確認した。本年度は、FeCr合金系からFeCrAl合金系に拡張するとともに、照射効果を取り入れた定式化を実装する。これにより、イオン照射実験により構築したデータベースを用いて、モデルの妥当性を系統的に検証する。