先端ナノ材料学による原子炉鉄鋼材料の脆化・劣化機構の解明と制御・予測

2008 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17002009
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 長谷川 雅幸 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 名誉教授 (80005975)
• 研究分担者: 永井 康介 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (10302209) ; 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (50344718) ; 畠山 賢彦 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (30375109) ; 外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (50510129)
• キーワード: 原子炉圧力容器 / 照射脆脆化 / 高経年化原子炉 / アトムプローブ / 陽電子消滅 / ナノ析出物 / 粒界偏析 / 照射欠陥

研究概要

先ず原子炉圧力容器(RPV)の照射脆化の原因となるナノ析出物(クラスター)を高精度・高分解能で検出するため、局所電極アトムプローブ(LEAP)装置にH19年度に導入したリフレクトロンを用いて、アトムプローブの蒸発イオンの質量分解能を向上させるための最適測定条件を見いだした。1970年代以前に製作された第一世代RPV(Cuなどの有害不純物濃度が高い)および1980年代以降の第二世代RPV(有害不純物濃度が低く抑えられている)に注目して、現在稼働中のベルギー原子炉(Doel-1, -2, -4)のRPV監視試験片などについて、最先端のLEAPや陽電子消滅を駆使したナノ組織観察、照射硬化などの測定および両者の関係の比較検討を行った。主な結果は以下の通りである。
1) 第一世代RPV監視試験片(Doel-1, -2)の照射硬化の原因はCu富裕析出物(CRNP)であったのに対し、第二世代試験片(Doel-4)では、そのようなCRNPはほとんど観察されず、Si-Mn-Niナノクラスターが観察された。しかしこのナノクラスターだけでは、照射硬化を十分説明できず、超微小転位ループなどの形成が示唆された。なお未だ電子顕微鏡や陽電子消滅でもこのような欠陥は観察されていない。
2) この未知の欠陥の検出・同定は第二世代RPVの照射脆化機構解明に不可欠であるので、照射後焼鈍実験を行ったが、直接このような他の照射欠陥の知見を得ることは出来なかった。この点を解決するために、より高い線量の照射試料の実験を行いつつある。
3) 最近電事連で作成された照射脆化予測式(JEAC-4201-2007)を上記の監視試験片試料に適用してみたところ、Ni濃度の低いDoel-1, 2号炉試験片では、予測式よりかなり大きく脆化していること、しかしながらDoel-4試験片ではほぼ予測式通りに脆化していることが分かった。

研究成果

• [雑誌論文] 陽電子量子ドット閉じ込めを利用したFe中Cuナノ析出物の寸法評価法の開発 (2009)
  • 著者名/発表者名: 外山健、永井康介、唐政、井上耕治、千葉利信、長谷川雅幸、大久保忠勝、宝野和博
  • 雑誌名: 鉄と鋼 95 ページ: 118-123
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interlaboratory comparison of positron annihilation lifetime measurements (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Ito, T. Oka, Y. Kobayashi, Y. Sh irai, K. Wada, M. Matsumoto, M. F ujinami, T. Hirade, Y. Honda, H. Hosomi, Y. Nagai, K. Inoue, H. Saito, K. Sakaki, K. Sato, A. Shimazu, and A. Uedono
  • 雑誌名: Mater. Sci. Forum 607 ページ: 248-250
  • 査読あり
• [雑誌論文] 3D-AP and positron annihilation study of precipitation behavior in Cu-Cr-Zr alloy (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Hatakeyama, T. Toyama, J. Yang , Y. Nagai, M. Hasegawa, T. Ohkubo, M. Eldruo and B.N. Singh
  • 雑誌名: J. Nucl. Mater. (印刷中)
  • 査読あり
• [雑誌論文] Size-Dependent Momentum Smearing Effect of Positron Annihilation Radiation in Embedded Nano Cu Clusters (2008)
  • 著者名/発表者名: Z. Tang, T. Toyama, Y. Nagai, K. Inoue, Z. Q. Zhu, M. Hasegawa
  • 雑誌名: J. Phys. : Condens. Matter 20 ページ: 445203-1-5
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of neutron-irradiation-induced intergranular phosphorus segregation and hardening on embrittlement in reactor pressure vessel steels (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Nishiyama, K. Onizawa, M. Suzu ki, J.W. Anderegg, Y. Nagai, T. To yama, M. Hasegawa, J. Kameda
  • 雑誌名: Acta Mater. 56 ページ: 4510-4521
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interlaboratory comparison of positron annihilation lifetime measurements for synthetic fused silica and polycarbonate (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Ito, T. Oka, Y. Kobayashi, Y. Shirai, K. Wada, M. Matsumoto, M. F ujinami, T. Hirade, Y. Honda, H. Ho somi, Y. Nagai, K. Inoue, H. Saito, K. Sakaki, K. Sato, A. Shimazu, and A. Uedono
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 104 ページ: 026102-1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] The effect of nanocrystallization and free volume on the room temperature plasticity of Zr-based bulk metallic glasses (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Mondal, T. Ohkubo, T. Toyama, Y. Nagai. M. Hase2awa, K. Hono
  • 雑誌名: Acta Mater. 56 ページ: 5329-5339
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three dimensional characterization of dopant distribution in polycrystalline silicon by atom probe microscopy (2008)
  • 著者名/発表者名: K. Inoue, F. Yano, A. Nishida, T. T sunomura, T. Toyama, Y. Nagai, M. Hasegawa
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 93 ページ: 133507-1-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高度解析技術が原子力材料研究に与えたインパクト-最新技術がここまでわかってきた!(日本原子力学会材料部会)(解説) (2008)
  • 著者名/発表者名: 木村晃彦、永井康介、藤井克彦、西山裕孝、曾根田直樹
  • 雑誌名: 日本原子力学会誌 50 ページ: 630-634
• [雑誌論文] 原子炉圧力容器鋼中ナノ炭化物の三次元アトムプローブ観察 (2008)
  • 著者名/発表者名: 外山健、土屋直柔、畠山賢彦、永井康介、長谷川雅幸、A.Almazouzi、E.vanWalle、R.Gerard、大久保忠勝
  • 雑誌名: まてりあ 47 ページ: 610
  • 査読あり
• [学会発表] State-of-the-art Positron Annihilation Techniques to Study Embedded Nano-Clusters in Metals (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Toyama, Y. Nagai, K. Inoue, Z. Tang, M. Hasegawa, A. Abderrahim, E. van Walle, R. Gerard
  • 学会等名: TMS2009
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 20090215-19
• [学会発表] Positron and the Other Methods for Nasnostructural Studies of Nuclear Reactor Materials (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Hasegawa, Y. Nagai, T. Toyama, K. Inoue, Z. Tang, J. Yang, A. Almazouzi, E. Van Walle, R. Gerard, Y. Nishiyama, M. Suzuki, T. Ohkubo
  • 学会等名: The 15^<th> International Conference on Positron Annihilation (ICPA-15)
  • 発表場所: Kolkata, India
  • 年月日: 20090118-23
• [学会発表] 3D-AP Analysis Coupled with PAS Measurements for Alloys (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai, T. Toyama, A. Almazouzi, M. Hasegawa, E. van Walle, R. Gerard
  • 学会等名: MRS 2008 Fall Meeting
  • 発表場所: Boston, USA
  • 年月日: 20081201-05
• [学会発表] Electron Momentum-Density Distributions of Cu Precipitates in Fe-Cu Alloys : A Quantum Size Effect in Momentum Space (2008)
  • 著者名/発表者名: Z. Tang, T. Toyama, Y. Nagai, K. Inoue, T. Ohkubo and M. Hasegawa
  • 学会等名: International Workshop on Positron Studies of Defects (PSD-08)
  • 発表場所: Praha, Czeech
  • 年月日: 20080901-05
• [学会発表] Combination of Positron Annihilation and Three-dimensional Atom Probe for Defects and Materials Studies (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai, T. Toyama, A. Almazozuzi, Z. Tang, K. Inoue, K. Takadate, H. Ohkubo, M. Hasegawa, E. van Walle, R. Gerard, H. Sunaga, H. Ta kizawa
  • 学会等名: International Workshop on Positron Studies of Defects (PSD-08)
  • 発表場所: Praha, Czeech
  • 年月日: 20080901-05