先端ナノ組織分析による事故時加熱環境を考慮した原子炉構造材料の劣化機構解明と予測

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24246155
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 永井 康介 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (10302209)
• 研究分担者: 井上 耕治 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (50344718) ; 外山 健 東北大学, 金属材料研究所, 講師 (50510129) ; 清水 康雄 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40581963) ; 南雲 一章 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40719259) ; 西山 裕孝 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 安全研究センター, グループリーダー (60414596) ; 勝山 仁哉 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 安全研究センター, 研究副主幹 (00403155)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 原子炉構造材料 / 高温環境 / 先端分析手法 / ナノ組織変化 / 圧力容器鋼

研究実績の概要

福島第一原発事故以来、国民の原子力に対する安全への要請は極めて高い。本研究では、従来は想定していない高温環境に原子炉構造材料が曝されたときに材料に生じる変化を最新のナノスケールの分析手法で明らかにし、それが材料の機械的特性等に与える影響を解明し予測することを目的とする。H26年度の成果は以下の通りである。
1.中性子照射試料のナノ組織解析
平成25年度に開始した中性子照射材料のナノ組織解析（陽電子消滅、３次元アトムプローブ、電子顕微鏡等）を継続し、高温環境での照射効果を明らかにした。(1)低合金鋼では、Pの照射促進粒界偏析を定量的に調べ、比較的高濃度のP不純物を含み40年程度以上の稼働に相当する中性子照射量でも、粒界脆化を引き起こす程度の粒界偏析濃度には達していないことがわかった。また、(2)450℃程度の高温に曝された照射材が再び中性子照射された場合、最初の照射に比べてCu不純物の析出が抑制される一方、照射欠陥の形成は促進されるなど、劣化のメカニズムが異なることが明らかになった。(3)肉盛り溶接ステンレス鋼では、δフェライト相におけるNiMnSiクラスター形成の温度依存性を明らかにし、低温側では、従来の熱時効パラメータの予測を超える脆化を示す可能性を明らかにした。
2.機械的特性試験と対応する計算機シミュレーション
平成25年度に引き続き機械的特性試験を行い、中性子照射材料の脆化挙動を定量的に調べ、３次元アトムプローブ等によるミクロ組織変化やナノ硬さ測定の結果と比較した。その結果、例えば、肉盛り溶接ステンレス鋼のδフェライト相では、低温側では従来の熱時効パラメータの予測を超える脆化を示す可能性を明らかにした。さらに、スピノーダル分解に伴う硬化機構を分子動力学シミュレーション等を用いて定量的に明らかにすることができた。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Hardening in thermally-aged Fe–Cr binary alloys: Statistical parameters (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Suzudo, Y. Nagai, D. Schwenc, A. Caro
  • 雑誌名: Acta Mater. 巻: 89 ページ: 116-122
  • DOI: 10.1016/j.actamat.2015.02.013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Microstructural evolution of RPV steels under proton and ion irradiation studied by positron annihilation spectroscopy (2015)
  • 著者名/発表者名: J. Jiang, Y.C. Wu, X.B. Liu, R.S. Wang, Y. Nagai, K. Inoue, Y. Shimizu, T. Toyama
  • 雑誌名: J. Nucl. Mater. 巻: 458 ページ: 326-334
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.12.113
  • 査読あり
• [雑誌論文] 構造材料の劣化機構解明へ向けた3次元アトムプローブの応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 外山健、井上耕治、永井康介
  • 雑誌名: 機能材料 巻: 34 ページ: 3-10
• [雑誌論文] The diffusivity and solubility of copper in ferromagnetic iron at lower temperatures studied by atom probe tomography (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Toyama, F. Takahama, A. Kuramoto, H. Takamizawa, Y. Nozawa, N. Ebisawa, M. Shimodaira, Y. Shimizu, K. Inoue, Y. Nagai
  • 雑誌名: Scripta Materialia 巻: 83 ページ: 5-8
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2014.03.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of post-irradiation annealing and re-irradiation on microstructure in surveillance test specimens of the Loviisa-1 reactor studied by atom probe tomography and positron annihilation (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Toyama, A. Kuramoto, Y. Nagai, K. Inoue, Y. Nozawa, Y. Shimizu, Y. Matsukawa, M. Hasegawa, M. Valo
  • 雑誌名: J. Nucl. Mater. 巻: 449 ページ: 207-212
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.01.036
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of Neutron Irradiation on the Mechanical Properties of Weld Overlay Cladding for Reactor Pressure Vessel (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Tobita, M. Udagawa, Y. Chimi, Y. Nishiyama, K. Onizawa
  • 雑誌名: J. Nucl. Mater. 巻: 452 ページ: 61-68
  • DOI: 10.1016/j.jnucmat.2014.04.035
  • 査読あり
• [学会発表] 高照射量領域の原子炉圧力容器鋼の微細組織変化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 永井康介、下平昌樹、外山健、井上耕治、M. Konstantinovic、R. Gerard
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 陽電子消滅法と3次元アトムプローブで調べたTihange-2監視試験片の照射脆化機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 下平昌樹、外山健、海老澤直樹、戸村恵子、井上耕治、永井康介、M. Konstantinovic、R. Gerard
  • 学会等名: 日本金属学会2015年春期講演大会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [学会発表] Diffusivity and Solubility of Cu in Fe and A533B Measured by Atom Probe Tomography (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai, M. Shimodaira, T. Toyama, Y. Shimizu, K. Inoue, N. Ebisawa
  • 学会等名: TMS2015
  • 発表場所: Orlando, Florida (USA)
  • 年月日: 2015-03-15 – 2015-03-19
• [学会発表] Neutron Flux Effects on Irradiation-Induced Solute Clusters and Matrix Defects in RPV Steels Studied by Positron Annihilation (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Toyama, T. Yamamoto, P. Wells. Y. Nagai1. G. Odette
  • 学会等名: TMS2015
  • 発表場所: Orlando, Florida (USA)
  • 年月日: 2015-03-15 – 2015-03-19
• [学会発表] Estimation of diffusivity and solubility by atom probe tomography: Revisit to traditional study using a state-of-the-art technique (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai, M. Shimidaira, T. Toyama, N. Ebisawa, Y. Nozawa, Y. Shimizu, K. Inoue
  • 学会等名: 2014 Materials Research Society Fall Meeting
  • 発表場所: Massachusetts (USA)
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] Diffusivity and Solubility of Cu in Fe and A533B (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai, M. Shimodaira, T. Toyama, F. Takahama, K. Inoue
  • 学会等名: 18th International Group on Radiation Damage Mechanisms (IGRDM-18)
  • 発表場所: Seagaia, Miyazaki
  • 年月日: 2014-11-23 – 2014-11-28
• [学会発表] Microstruture in Tihange-II Surveillance Studied by Atom Probe Tomography and Positron Annihilation Spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Shimodaira, T. Toyama, K. Inoue, Y. Nagai, M. Konstantinovic
  • 学会等名: 18th International Group on Radiation Damage Mechanisms (IGRDM-18)
  • 発表場所: Seagaia, Miyazaki
  • 年月日: 2014-11-23 – 2014-11-28
• [学会発表] Neutron Flux Effects on Irradiation-Induced Microstructures in RPV Steels Studied by Positron Annihilation (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Toyama, T. Yamamoto, M. Shimodaira, Y. Nagai, P. Wells, G.R. Odette
  • 学会等名: 18th International Group on Radiation Damage Mechanisms (IGRDM-18)
  • 発表場所: Seagaia, Miyazaki
  • 年月日: 2014-11-23 – 2014-11-28
• [学会発表] Fracture toughness of highly-irradiated weld overlay cladding of reactor pressure vessels (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Tobita, Y. Nishiyama, K. Onizawa and M. Suzuki
  • 学会等名: 18th International Group on Radiation Damage Mechanisms (IGRDM-18)
  • 発表場所: Seagaia, Miyazaki
  • 年月日: 2014-11-23 – 2014-11-28
• [学会発表] Thermal aging and neutron irradiation effect for microstructure and hardness change in ferrite phase of weld overlay cladding of reactor pressure vessels (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Takamizawa, Y. Nozawa, Y. Kakubo, J. Katsuyama Y. Nishiyama, K. Onizawa, T. Toyama, Y. Nagai
  • 学会等名: 18th International Group on Radiation Damage Mechanisms (IGRDM-18)
  • 発表場所: Seagaia, Miyazaki
  • 年月日: 2014-11-23 – 2014-11-28
• [学会発表] Nuclear material studies by positron annihilation spectroscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai, K. Inoue, T. Toyama, K. Nagumo, Y. Shimizu, N. Ebisawa, M. Hasegawa
  • 学会等名: 11th International Workshop on Positron and Positronium Chemistry (PPC-11)
  • 発表場所: Cidade de Goa (India)
  • 年月日: 2014-11-09 – 2014-11-14
  • 招待講演
• [学会発表] Revisit to traditional diffusivity and solubility study for nuclear material degradation using state-of-the-art techniques (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai
  • 学会等名: The 5th International Symposium of Advanced Energy Science
  • 発表場所: Institute of Advanced Energy, Kyoto University
  • 年月日: 2014-09-30 – 2014-10-02
  • 招待講演
• [学会発表] 陽電子消滅法で調べた中性子照射したA533B鋼のミクロ組織：中性子フラックス効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 外山健、下平昌樹、永井康介、T. Yamamoto, P. Wells, G.R. Odette
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] A533B鋼中のCu拡散：粒界拡散の観察 (2014)
  • 著者名/発表者名: 下平昌樹、外山健、海老澤直樹、清水康雄、井上耕治、永井康介
  • 学会等名: 日本金属学会2014年秋期講演大会
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [学会発表] Nuclear Materials Study by Age-Momentum Correlation Method (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Nagai, K. Nagumo, K. Inoue, T. Toyama, M. Shimodaira, Y. Shimizu
  • 学会等名: The International Workshop on Positron Studies of Defects 2014 (PSD-14)
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2014-09-14 – 2014-09-19
• [学会発表] The Development of an Age- Momentum Correlation Apparatus Using an Avalanche Photodiode (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nagumo, M. Shimodaira, K. Inoue, T. Toyama, Y. Nagai
  • 学会等名: The International Workshop on Positron Studies of Defects 2014 (PSD-14)
  • 発表場所: Kyoto University
  • 年月日: 2014-09-14 – 2014-09-19
• [学会発表] 3次元アトムプローブによって調べたA533B鋼中のCu拡散 (2014)
  • 著者名/発表者名: 永井康介、高濱郁彦、下平昌樹、外山健、清水康雄、井上耕治
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] 欠陥集合体・析出物の検出に向けた陽電子AMOCシステムの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 南雲一章、下平昌樹、井上耕治、外山健、永井康介
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] アバランシェ・フォトダイオードを用いたAMOC測定システムの開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 南雲一章、下平昌樹、井上耕治、外山健、永井康介
  • 学会等名: 第51回アイソトープ・放射線 研究発表会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2014-07-07 – 2014-07-09
• [学会発表] 3次元アトムプローブによる原子炉圧力容器鋼中のCuの拡散係数の導出 (2014)
  • 著者名/発表者名: 下平昌樹、外山健、高濱郁彦、海老澤直樹、野沢康子、清水康雄、井上耕治、永井康介
  • 学会等名: 第127回東北大学金属材料研究所講演会
  • 発表場所: 東北大学金属材料研究所
  • 年月日: 2014-05-28 – 2014-05-28