照射の複合作用を考慮した新しい材料損傷評価法の開発

摘要

次世代の原子炉では、高効率の発電と高い信頼性·安全性·経済性が求められる。次世代型原子炉として液体金属冷却型高速増殖炉や超臨界圧水軽水炉/高速炉などが検討されている。これらの炉内構造材は、現行軽水炉の炉内構造物よりも大きな照射損傷を受け、さらに高い熱出力を取り出すため冷却材の出入り口での温度差が大きくなることから、より大きな熱応力を使用期間中に受けることとなる。さらに炉内構造物が溶接接合構造であれば、溶接時の熱サイクルによる残留応力も生じることとなる。炉内構造物に関する既存の設計概念では、照射後試験等から予想した使用期間中の材料劣化挙動に安全率を考慮することで、構造物の損傷の防止を行っている。この考え方は、照射損傷の蓄積により材料が単純に劣化してゆく圧力容器の脆性破壊などには合理的に適用できると考えられる。しかし、近年、軽水炉で問題となっている照射誘起応力腐食割れ（IASCC）のような材料劣化、腐食環境、残留応力の複雑な相互作用の結果生じる材料劣化·損傷では、これまでの設計概念のように単なる経年変化による材料劣化のみを考慮した場合、構造物は過度な剛性（厚さなど）が要求され、逆に熱応力による破損の可能性の増大も考えられる。本研究では、照射硬化（脆化）、照射誘起偏析による局所的な耐食性劣化等の材料劣化挙動と、熱応力及び溶接残留応力の照射誘起緩和及び熱応力緩和挙動を複合的に考慮する新しい材料損傷評価法の概念の構築を目指している。本概念が合理的なものであれば、これまでの設計概念による材料劣化の単純な照射量依存性から決まるしきい照射量までの使用許可と異なる、構造材料の劣化状況、使用環境、負荷応力について時間経過による変化を総合的·複合的な観点から判断でき、より合理的な構造設計や検査及び補修時期の計画立案が可能になると考えられる。本論文では、新しい材料損傷評価法の概念を紹介し、イオン照射試験により得た照射による材料劣化挙動に及ぼす残留応力（2 次応力）の影響の評価結果[1,2]および中性子照射試験から得られたデータとの比較による照射硬化挙動などのモデル化[3]、またそれらモデルの統合により複合的な損傷現象であるIASCC の発生挙動を予測するモデルの検討結果を述べる。さらに、その統合モデルにより炉内構造物のIASCC き裂発生シミュレーションを行うためのプログラミングコードによる計算結果の例を紹介する。