原子炉圧力容器鋼中の照射誘起ナノ析出物および欠陥の形成・発達過程の解明と制御

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15106015
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 長谷川 雅幸 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (80005975)
• 研究分担者: 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (50344718) ; 唐 政 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (80271972) ; 永井 康介 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (10302209) ; 大窪 秀明 東北大学, 金属材料研究所, 中核的研究機関研究員 ; 湯葢 邦夫 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (00302208)
• キーワード: 陽電子消滅 / 原子炉圧力容器鋼 / 照射脆化機構 / 照射誘起ナノ析出物 / 3次元アトムプローブ

研究概要

原子炉圧力容器(RPV)鋼の照射脆化の主原因とされているナノCu(富裕)析出物(CRP)、マトリックス欠陥(MD)、粒界脆化の原子レベルでの機構解明は未だ不十分である。本研究では、最近我々が見いだしたFeマトリクス中Cu原子集合体の陽電子量子ドット現象を利用するとともに最新の高分解能3次元アトムフローブ(3DAP)も併用し、照射下での(サブ)ナノCRPの形成と発展を明らかにすることを目的とする。
本(初)年度は、まず、研究計画書に記述した設備備品を購入して、照射材の陽電子消滅および3DAP測定の試料作成、極低温の磁場中のCDB測定装置の整備、実験と比較する第一原理計算用にワークステーションの整備を行い、実験、計算を開始した。
次に、軽水炉圧力容器鋼の照射脆化の予測式に現れる主要元素であるCu,Mn,Ni,Pを含むモデル合金(Fe-Cu,Fe-Cu-Mn,Fe-Cu-Ni,Fe-Cu-P)を電子線照射し、陽電子消滅法と3次元アトムプローブ法を用いて、空孔-溶質・不純物複合体の形成や、照射後焼鈍による超微小Cu析出物(CRP)の形成を明らかにした。電子線照射直後は、全てのモデル合金中で、空孔(V)-Cu複合体(V-Cu_n, (n>=6))が生成していること、また、Fe-Cu-Mnに対しては、空孔はCuだけではなくMnとも複合体を形成していることがわかった。これらを250℃程度で焼鈍すると、空孔が回復すると同時に、FeマトリックスにコヒーレントなFCC構造をとり、ほぼすべてCu原子からなる超微小Cu析出物が形成される(第3元素Ni,Mn,Pの混入もない)ことがわかった。さらに、超微小Cu析出物は、550℃程度の高温でも残存していることがわかった。現在、照射脆化した圧力容器鋼をその場で焼鈍回復させる計画があるが、その条件を決める上で、重要な情報である。

研究成果

• [文献書誌] M.Hasegawa, et al.: "Irradiation Induced Vacancy and Cu Aggregations in Fe-Cu Model Alloys of Reactor Pressure Vessel Steels : State-of-the-Art Positron Annihilation Spectroscopy"Phil.Mag.. (掲載受理済). (2004)
• [文献書誌] Y.Nagai, et al.: "Positron annihilation study of vacancy-solute complex evolution in Fe-based alloys"Phys.Rev.B. 67. 224202-1-224202-6 (2003)
• [文献書誌] Y.Nagai, et al.: "Embedded Ultrafine Clusters Investigation by Coincidence Doppler Broadening Spectroscopy"Material Science Forum. 445-446. 11-15 (2004)
• [文献書誌] T.Toyama, et al.: "Irradiation-Induced Defects and Cu Precipitates in Ternary Fe-Based Model Alloys for Nuclear Reactor Pressure Vessel Steels Studied by Positron Annihilation and 3D Atom Probe"Material Science Forum. 445-446. 195-197 (2004)
• [文献書誌] T.Chiba, et al.: "Electronic Structure of Nanosized bcc Cu Precipitates in Fe-Cu Alloys Studied by Positron 2D-ACAR"Material Science Forum. 445-446. 380-384 (2004)
• [文献書誌] T.Onitsuka, et al.: "Irradiation-Enhanced Cu-Precipitation in Fe-Cu Alloys Studied by Positron Annihilation Spectroscopy and Electrical Resistivity Measurement"Material Science Forum. 445-446. 168-170 (2004)
• [文献書誌] Y.Nagai, et al.: "Elemental Analysis of Positron Affinitive Site in Materials by Coincidence Doppler Broadening Spectroscopy"Rad.Phys.Chem.. 68. 381-386 (2003)
• [文献書誌] Z.Tang, et al.: "First-Principle Calculation of Positron Annihilation Characteristic in Solids : From Positron to Positronium"Material Science Forum. 445-446. 390-394 (2004)
• [文献書誌] Y.Nagai, et al.: "Ultrafine Cu Precipitates in RPV Model Alloys Studied by Positron Annihilation and 3D Atom Probe"Proc.of 11^th Int.Conf. On "Environmental Degradation of Materials in Nuclear" Power Systems - Water Reactors", (August 10-14, 2003, Stevenson, Washington, USA), (ANS, La Grange Park, Illinois, USA, 2003). (CD-ROM). 103-109 (2003)
• [文献書誌] Y.Nagai, et al.: "Irradiation Induced Vacancy-Cu Aggregations in Fe-Cu and Fe-Cu-Ni Model Alloys of Reactor Pressure Vessel Steels Studied by Positron Annihilation"Effect of Radiation on Materials, ASTM STP 1447, M.L. Grossbeck, Ed., ASTM International, West Conshohocken, PA. (掲載受理済). (2004)
• [文献書誌] 永井康介, 長谷川雅幸, 柳田誠也, 宝野和博: "圧力容器鋼モデル合金中の超微小Cu析出物の検出:陽電子消滅と3次元アトムプローブ"金属. Vol.73,No.8. 771-774 (2003)