原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

次世代再処理機器用超高純度EHP合金の実用化に関する研究開発

１．研究開発の背景とねらい

　本業務では、次世代再処理の燃焼度250GWd/t級の使用済MOX燃料を扱う耐硝酸性機器を念頭に開発した超高純度（Extra High Purity、以下「EHP」という）合金素材の実用化のため、溶解槽、Pu/U濃縮缶、酸回収蒸発缶及び高レベル濃縮缶の製造技術を確立して、実環境模擬の放射線場試験及び耐久性評価試験を実施し、再処理機器に要求される閉じ込め機能や耐震上の優位性の評価等を目的として実施する。

２．研究開発成果

２−１． 実用機器の製造技術開発と耐久性評価試験

　実用機器の製造に必要となる主要な部材の試作及び素材特性評価試験を実施して、部材の素材特性を評価した。また、試作した部材の溶接施工性試験を実施して、溶接施工性を評価した。
　まず、開発したEHP合金について、実環境模擬の耐久性評価試験体の製造に必要となる主要な部材を製作し評価試験を行った。対象とした模擬試験体、部位及び評価試験対象合金は表１のとおりである。

表１　模擬試験体、部位及び評価試験対象合金

　製作した模擬試験体は素材特性及び溶接施工性が良好であった。なお、高Cr-W-Si系Ni基合金の溶接には電子ビーム溶接法あるいはアーク溶接法が適すること、Nb-W合金の溶接には電子ビーム溶接法が適すること、高Cr-W-Si系Ni基合金の管製造では熱処理温度は約1,200℃以下であることが判った。

写真1　試作したフルスケール部材（管）の外観写真
左からSUS310Ti系／ST材：25A-Sch80（34.0φ×4.5t×5000L）
SUS310Ti系／SAR材：25A-Sch80（34.0φ×4.5t×5000L）
25Cr-35Ni-Ti系／ST材：25A-Sch80（34.0φ×4.5t×5000L）
25Cr-35Ni-Ti系／SAR材：25A-Sch80（34.0φ×4.5t×5000L

２−２． 放射線照射場における健全性評価

写真2　水素発生試験装置
(JAEA高崎研　コバルト照射室)

　実用機器の放射線照射下での材料腐食試験および硝酸溶液の分解反応を考慮した材料損傷試験を実施するため、実用機器の運転条件を調査し、最も厳しい供用条件を模擬した試験条件を設定した。設定した試験条件にて予備試験を実施し、安定した実機模擬環境が得られていることを実測の上、確認した。
　まず、材料腐食試験および材料損傷試験の試験条件の設定については、現行再処理工場の運転条件等を調査し、水／水蒸気側や沸騰伝熱部位の評価温度は200℃を含む範囲に設定した。また、水溶液側は100℃近傍を上限温度とした。放射線照射下の材料腐食試験場所は、原子力機構の高崎量子応用研究所のコバルト照射室を選定した。材料腐食予備試験では、試験片の表面温度は100〜250℃の範囲で表面温度が設定できることを確認した。試験片を設置する各部位の線量は、計算値と実測値が１〜2割の誤差範囲で一致することを確認した。H₂ガスや酸化剤の生成測定試験を実施し材料間の水素発生挙動違いを確認した。隙間腐食／応力腐食割れの模擬評価試験法の有効性を確認した。材料損傷予備試験では、気相側と液相側でのNOx割れを文献調査した後、その知見に基づく予備試験を実施した。NOx割れは液相がある場合には割れ感受性の高いTiやZrでも異常な表面反応を生じにくいので、気相の硝酸環境下での試験の必要性が確認された。

２−３． 実用化基盤技術の整備

（１） 長期健全性の支配要因評価
　ステンレス系EHP合金とNb-W系EHP合金の開発材の実用化に必要な基盤データの取得として、現行材の再処理規格ジルコニウム、チタン合金や再処理規格超低炭素SUS304（以下「R-SUS304UL」という。）との特性比較を含めた次の基礎評価試験を実施した。水蒸気の低温プラズマ腐食試験により、水素・酸素吸蔵による材質変化の違いを評価した。また、過酸化水素水（酸素）添加の模擬水中腐食試験により、材料間の耐食性や応力腐食割れの抵抗性の違いを評価した。
　まず、水蒸気の低温プラズマ腐食試験では酸素吸蔵による材質変化を酸化傾向の違いによる質量変化で評価したが明瞭な違いは見られなかった。また、水素チャージ法により水素を吸蔵させて材質変化を調べた結果、R-SUS304ULC鋼では水素吸蔵による脆化が伺えるが、SUS310EHP鋼では水素脆化は生じなかった。過酸化水素水添加の模擬水中で腐食試験では、すべての試験片で粒界腐食や割れの発生は認められなかったが、各試験片の表面光沢や色は異なっており表面皮膜の違いが認められた。

（２） 異材接合継手を含む構造部材の性能評価
　実用機器の素材のうちステンレス系EHP合金/現行ステンレス、Nb-W系EHP合金/ステンレス系EHP合金の異材接合継手に関して、フェライト量測定装置を整備し、接合部位のミクロ組織を評価し、母材と対比し耐食性の関連性を評価した。
　まず、フェライト量測定装置を整備しフェライト量を測定した。SUS310EHP鋼／R-SUS310ULC鋼の異材継手のフェライト量は0.1〜0.3%と小さく材料特性上問題ないことが判った。異材接合継手の耐食性を評価するため、沸騰硝酸下腐食試験を実施した。SUS310EHP鋼／R-SUS310ULC鋼の異材継手では、SUS310EHP鋼はR-SUS310ULC鋼に比べて優れた耐食性を示し、Nb-W合金／SUS310EHP鋼の異材継手ではNb-W系合金に比べてSUS310EHP鋼は耐食性の低下を示したが、この結果は材料個々の腐食試験結果と同じ結果である。最も懸念される粒界腐食に伴う脱粒の傾向はEHP系材料（SUS310EHP鋼、Nb-W合金）には見られず、異材接合の場合でもEHP系材料の健全性を保たれることが確認できた。

２−４． 異材接合継手技術の整備

（１）異材溶接部の健全性評価
　ステンレス系EHP合金と現行ステンレスの異材溶接部の健全性評価として、現行ステンレスとの異材溶接において、炭素含有量が異なるステンレス系EHP合金を作製し、高温割れ（凝固割れ）感受性に及ぼす炭素の影響を評価した。また、画像温度解析装置を整備して、高温割れ感受性のその場観察評価を実施した。さらに、高温割れ感受性の改善効果が期待されるマンガンについても、高温割れ感受性への影響を調査し、異材溶接部の健全性に及ぼす不純物元素量の影響を評価した。
　まず、トランス・バレストレイン試験にて25Cr-20Ni-Ti系ステンレス鋼の高温割れ感受性に及ぼすC、P、S及びMnの影響を調査した結果P、S及びC の順に凝固割れ感受性を増加させる影響が高いことが明らかとなった。また、画像温度解析装置を整備し、高温割れ感受性としての割れ発生温度範囲（BTR）および割れ発生最低ひずみ（εmin）が評価できた。一般的に溶接性の改善が期待されるMnの添加については、添加量を変えて熱力学計算を行った所、大きな効果がないことが解明された。偏析元素による粒界結合力を解析した結果、Cが偏析したとき粒界結合力は上昇するが、P及びSが粒界偏析した場合、低下することが判明した。

（２）継手対策
　ステンレス系EHP合金溶接金属の継手強度対策として、溶接金属の機械的特性に及ぼす合金元素量の影響を評価するため、母材と合金元素量の異なる溶加材を用いて溶接継手を作製した。一方、Nb-W系EHP合金とステンレス系EHP合金の異材継手について、動的拡散接合の適用性について予備的調査を実施し、金属学的に評価した。
　まず、EHP系ステンレス鋼溶接金属の継手強度対策として、SUS310Sオーステナイト系ステンレス鋼母材に対してNiが15%多い超高純度25Cr-35Ni-Ti系ステンレス鋼溶加材を用いて溶接継手を製作した所、溶接金属部の硬さは母材部に比べ低く、Niの増量だけの強度向上は限定的であることが判った。Nb-W系EHP合金とステンレス系EHP合金の異材継手について、動的拡散接合の適用性について予備的調査として、Nb-W合金と超高純度25Cr-35Ni系ステンレス鋼の複合ビレットから熱間押出法により動的拡散接合継手を製作した。引抜試験及び曲げ試験の結果、Nb-W合金／ステンレス鋼界面での剥離は認められず、動的拡散接合の有効性が示された。

２−５． 実用機器への適用性評価

　次世代再処理機器に対しEHP合金を適用する場合に、概念設計や許認可に必要となる評価項目を調査し、抽出した。
　まず、「核原料物質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法律」では、母材については強度及び耐食性が要求され、溶接材については溶接の方法について認可を受けて技術上の基準に適合すること、「加工施設、再処理施設及び特定廃棄物管理施設の溶接の技術基準に関する規則」では、溶接材の引張試験、型曲げ試験等が、「加工施設及び再処理施設の溶接の方法の認可について」では、溶接材のコリオ腐食試験やヒューイ腐食試験が要求事項として摘出された。また、「六ヶ所再処理工場の設計及び工事の方法の認可」では、母材の機械的強度が規定され、再処理環境を模擬した腐食試験に基づき腐食代が設定されている点が整理された。これらより、母材、溶接材共に機械的強度データ、耐食性評価データ及び再処理環境を模擬した腐食試験データが必要であることが抽出できた。

３．今後の展望

　無粒界腐食型ステンレス鋼、高Cr-W-Si系Ni基合金及びNb-W合金を用いて、溶解槽及び蒸発缶の硝酸溶液接液部の伝熱条件を模擬した耐久性評価試験体を用いて、実環境模擬の長時間伝熱面腐食試験を開始する。また、放射線照射下での材料腐食試験および硝酸溶液の分解反応を考慮した材料損傷試験、長期健全性の支配要因評価、構造部材の性能評価、異材接合継手技術の整備並びに実用機器への適用性評価を実施する。