平成 年 月 日（火） 九州大学 応用力学研究所 炉内 …...2012/07/24  · 2 原子炉圧力容器...

平成24年 7月24日（火） 九州大学 応用力学研究所

炉内構造材料の経年変化に関する研究集会

3次元アトムプローブ及び陽電子消滅による フィンランドLoviisa炉監視試験片のナノ組織解析

東北大学 金属材料研究所

蔵本明, 野沢康子, 外山健, 永井康介, 長谷川雅幸

VTT（フィンランド）

Matti Valo

2

原子炉圧力容器

旧ソ連型(東欧型)の原子炉圧力容器鋼と日本の圧力容器鋼との違い

Cu Mn Si Ni P Cr Mo V Fe

旧ソ連

(1970～

1980) 0.14 1.14 0.4 0.11 0.035 1.63 0.48 0.20 Bal.

日本

(1965～

1980)

(A533B)

0.16 1.30 0.30 0.68 0.015 0.17 0.53 - Bal.

旧ソ連型原子炉

VVER-440の原子炉容器

溶質原子クラスター （Cu, Si, Mn, Ni, P）

P等の粒界偏析

照射欠陥 転位ループ 空孔型欠陥

化学組成の例

Loviisa原子力発電所

VVER-440

(フィンランド)

未照射 焼鈍 照射 再照射

脆化量

原子炉圧力容器の寿命の延長

照射量 （時間）

使用限界

原子炉圧力容器のin-service annealing（その場焼鈍）

焼鈍で照射欠陥や溶質原子クラスターはどうなったか?

再照射で何がおきるか？ 3

Cu Mn Si Ni P Cr Mo V Fe

0.14 1.14 0.4 0.11 0.035 1.63 0.48 0.20 Bal.

監視試験片の化学組成(wt.%)

VVER-440 (旧ソ連型の加圧水型の原子炉)

state 照射 焼鈍(475℃) 再照射

×1019n/cm2 h ×1019n/cm2

未照射 - - -

照射 2.5* - -

照射+焼鈍 2.5* 100 -

照射+焼鈍+再照射 2.5* 100 0.9**

照射速度: 3.0x1011 n/cm2/s, E> 1MeV

照射温度: 270 ℃

試料: Loviisa-1炉監視試験片

監視試験片

4

VVER-440

原子炉容器

原子炉圧力容器

Phil. Mag. 87 1855 (2007) A. Ulbricht, F. Bergner, J. Böhmert, M. Valo, M.-H. Mathon and A. Heinemann

陽電子消滅

３次元アトムプローブ（3D-AP）

照射誘起ナノ組織変化の観察手法

位置敏感型検出器

レーザーパルス

Sample

原子レベルの分解能で3次元の原子マップを作成 3次元アトムマップ

検出器

検出器

陽電子：空孔型欠陥やCu析出物に敏感

欠陥のサイズ

消滅サイトの元素分析

10nm

高電圧 電界蒸発

5

厚さ5nm

20 nm

Cu

Ni

Si

Mn

P

3D-AP観察 照射したまま

数密度 3.8×1023 /m3

平均半径2.0nm

6

20nm

Cu

Ni

Si

Mn

P

3D-AP観察 照射後焼鈍

数密度 2.2×1022 /m3

厚さ5nm

平均半径2.6nm

7

Cu

Ni

Si

P

Mn

20nm

厚さ5nm

3D-AP観察 再照射

数密度 6.3×1022 /m3

平均半径2.1nm

8

0123

rG

0

20

40

ND

200

220

240

Hv

0

0.01

0.02

Vf

0123

rG

0

20

40

ND

200

220

240

Hv

0

0.01

0.02

Vf

溶質原子クラスターの半径のヒストグラム

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 -1

.0

1.0

-1.2

1

.2-1

.4

1.4

-1.6

1

.6-1

.8

1.8

-2.0

2

.0-2

.2

2.2

-2.4

2

.4-2

.6

2.6

-2.8

2

.8-3

.0

3.0

-3.2

3

.2-3

.4

3.4

-3.6

3

.6-3

.8

3.8

-4.0

4

.0-

照射

半径 [nm]

溶質原子クラスター数

0

1

2

3

4

5

6

-1.0

1

.0-1

.2

1.2

-1.4

1

.4-1

.6

1.6

-1.8

1

.8-2

.0

2.0

-2.2

2

.2-2

.4

2.4

-2.6

2

.6-2

.8

2.8

-3.0

3

.0-3

.2

3.2

-3.4

3

.4-3

.6

3.6

-3.8

3

.8-4

.0

4.0

-

照射後焼鈍

半径[nm]

溶質原子クラスター数

0

5

10

15

20

25

-1.0

1

.0-1

.2

1.2

-1.4

1

.4-1

.6

1.6

-1.8

1

.8-2

.0

2.0

-2.2

2

.2-2

.4

2.4

-2.6

2

.6-2

.8

2.8

-3.0

3

.0-3

.2

3.2

-3.4

3

.4-3

.6

3.6

-3.8

3

.8-4

.0

4.0

-

半径[nm]

溶質原子クラスター数

平均2.0nm 平均2.6nm 平均2.1nm

再照射

9

照射 照射後

焼鈍 未照射 再照射

Nd

0123

rG

0

20

40

ND

200

220

240

Hv

0

0.01

0.02

Vf

Vf

ビッカース微小硬度(Hv)、溶質原子クラスターの数密度(Nd)、体積率(Vf)

Hv

照射 照射後

焼鈍 再照射 照射

照射後

焼鈍 再照射

[×1022/m3]

10

未照射 照射 照射後焼鈍

再照射

475℃における

Fe中のCu固溶限

マトリックス中のＣｕ濃度

270℃における

Fe中のCu固溶限 0

0.1

0.2

Cu c

om

positio

n

in m

atr

ix [

wt.

%]

270

475

M. Perez, F. Perrard, V. Massardier, X. Kleber, A. Deschamps, H. De Monestrol, P. Pareige, G. Covarel, Phil. Mag. 85 2197 (2005).

100

120

140

160

180

0.56

0.564

0.568

0.006

0.007A

vera

ge

Positro

n lifetim

e [

ps]

未照射 照射 照射後焼鈍

再照射

V1

Fe Bulk

Positron lifetime

Fe Bulk

0

100

200

3000

20406080

100

未照射 照射 照射後焼鈍

再照射

V1

V5

V9

Positro

n lifetim

e [

ps]

Inte

nsity [%

]

τav

τ2

τ1

I2

Unirrad.

11

100

120

140

160

180

0.56

0.564

0.568

0.006

0.007

Avera

ge

Positro

n lifetim

e [p

s]

未照射 照射 照射後焼鈍

再照射

V1

Fe Bulk

Unirrad.

20nm

照射材

照射後焼鈍材 再照射材

Loviisa監視試験片(0.14Cu) 陽電子平均寿命の変化及び3D-APで観察したCuクラスターの変化

0 10 20 30 400.5

1

1.5

2未照射照射したまま照射後焼鈍再照射

Ratio t

o P

ure

Fe

PL[×10-3

mc]

CDB

Pure Cu

13

A. Kuramoto, T. Toyama, T. Takeuchi, Y. Nagai , M. Hasegawa, T. Yoshiie,

Y. Nishiyama et al. / Journal of Nuclear Materials 425 (2012) 65–70

Unirrad.

As-irrad.

350℃

450℃ 550℃

20nm

JMTR照射(3.9×1019n/cm2)、A533B(0.16Cu) 30分等時焼鈍 陽電子平均寿命の変化及び3D-APで観察したCuクラスターの変化

等時焼鈍では照射欠陥は 450℃でほぼ回復

まとめ

15

照射材 照射後焼鈍材 再照射材

微細なCu富裕析出物 粗大化 粗大化した析出物

＋微細なCu富裕析出物

0123

rG

0

20

40

ND

200

220

240

Hv

0

0.01

0.02

Vf

照射 照射後

焼鈍 未照射 再照射

0123

rG

0

20

40

ND

200

220

240

Hv

0

0.01

0.02

Vf

Vf

Hv

再照射後の硬化は

Cu富裕析出物だけ

では説明できない

100

120

140

160

180

0.56

0.564

0.568

0.006

0.007

Positro

n lifetim

e [

ps]

未照射 照射 照射後焼鈍

再照射

V1

Fe Bulk

Unirrad.

16

東北大学 金属材料研究所 共同利用ワークショップのご案内

開催場所： 金属材料研究所 会議室

日時： 2012年11月8, 9日

特別講演（予定）： 北澤宏一先生

「より安全・安心な原子力のために材料研究ができることは何か？」

詳細は、後日ご連絡差し上げます。

広く、原子力および関連の材料研究者が集うワークショップです。

奮ってご参加ください。

旅費は100万弱を確保してあります（講演者、座長のみ）。

17

Unirrad Grain boundary segregation

20nm

P C

oncentr

ation

[at.%

]

P C

oncentr

ation

[at.%

] P

Concentr

ation

[at.%

]

Distance [nm]

0

1

2

0 10 20 30 40 500

1

2

0

1

2

1

2

3

3

2

1

P

Grain boundary segregation I

20nm

0 10 20 30 40 500

1

2

P C

oncentr

ation

[at.%

]

Distance [nm]

P, C

Erosion法*を用いた溶質原子クラスターの濃度解析

焼鈍により、Cu濃度が増加し、Si, Mn,Ni,Pが減少したことが分かる。

70%

80%

90%

100%

Ｉ ＩＡ ＩＡＩ

Cu

Mn

Ni

Si

P

others

Fe

照射 照射後焼鈍 再照射

0%

*J.M.hyde, C.A.English, Mat. Res. Soc. Symp 650 R6.6.1 (2001)

Envelop法*を用いた溶質原子クラスターの濃度解析

焼鈍により、Si, Mn,Ni,Pが減少したことが分かる。

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Cu

Mn

Ni

Si

P

others

Fe

照射 照射後焼鈍 再照射

*M.K. Miller, Atom Probe Tomography, Kluwer Academic/Plenum Publishing, New York, 2000.

0

50

100

⊿Hv剛性率比0.70.80.90.95

⊿Hv

照射 照射後焼鈍 再照射

*K.C.Russell, L.M. Brown, Acta. Metall. 20 969 (1972)

Russell ＆Brownモデル*を用いた硬化量(⊿Hv)の見積もり

70%

80%

90%

100%

Ｉ ＩＡ ＩＡＩ

Cu

Mn

Ni

Si

P

others

Fe 0%

照射 照射後 焼鈍

再照射

70%

80%

90%

100%

Ｉ ＩＡ ＩＡＩ

Cu

Mn

Ni

Si

P

others

Fe 0%

照射 照射後 焼鈍

再照射

Erosion法を用いた溶質原子クラスターの濃度解析

70%

80%

90%

100%

Ｉ ＩＡ ＩＡＩ

Cu

Mn

Ni

Si

P

others

Fe 0%

照射 照射後 焼鈍

再照射

溶質原子クラスター全体 Cu原子200個以下の 溶質原子クラスターのみ

Cu原子200個以上の 溶質原子クラスターのみ