1．2．5．2　フェライト/マルテンサイト鋼ラッパ管の開発

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てるえさだい
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1 共通技術高強度フェライト / マルテンサイト鋼ラッパ管の開発 (1/5) 研究の背景 / 目的高速中性子照射下での耐スエリング性がオーステナイト系ステンレス鋼に比べて格段に優れ長期使用が期待できるフェライト / マルテンサイト鋼 ( 以下鋼 : 公称組成 0.12C-11Cr 0.5Mo 2W-0.2V-0.05Nb-0.05N) は実用化集合体ラッパ管材料として期待されている常陽もんじゅでは炉心支持板がオーステナイト鋼であるため熱膨張差による燃料集合体との隙間からのリーク流量を抑制する上でエントランスノズルおよびハンドリングヘッドはオーステナイト鋼にする必要があるそのため鋼とオーステナイト系ステンレス鋼 () との異材接合が必要となるその場合鋼熱影響部は硬化するため溶接後熱処理が必要となりまた鋼側の溶接境界部には δ フェライト相が生成し靱性を著しく損なう恐れがあるこの問題を解決するためラッパ管製造過程において予め鋼ラッパ管の両端に短尺の鋼を TIG 溶接した後一体で加工熱処理を施して仕上げる複合ラッパ管製造技術を開発する実施内容ラッパ管製造技術開発現在の高速炉の構造上とのが必要溶接部の特性が失われない溶接技術従来技術および設備で対応が可能な製造技術仕様上の要求項目を従来材と同様に達成可能な製造技術部の機械的性質評価溶接部の健全性を確認するための強度評価が必要工程 Phase1 JFY 技術開発強度基準の整備照射特性評価 ( 常陽フェライト鋼の PIE) FFTF 実機ラッパ管 (ACO3) 200dpa 中間報告実用化候補概念の選定燃料サイクルシステムの確定技術基盤の整備完了 Phase2 Phase3 Phase 実用化見通し評価部 :20dpa 核特性リグ (PIE: 引張曲げ ) ~50dpa dpa (*) 図中の燃焼度照射量はヒーク値 dpa 2015 部の材料強度基準整備実用化に向けて許認可に必要な材料強度基準の整備が必要材料強度 ( 引張強度衝撃特性 ) 母材部の材料強度との比較 - 評価母材の材料強度基準適用可否検討フェライト鋼ラッパ管の実用化技術評価常陽 MK-Ⅱ CMIR-3 からの継続照射分 : 最大約 50dpa 8 万 MWd/t, 63dpa 9 万 MWd/t, 75dpa 15 万 MWd/t, 120dpa 16 万 MWd/t, 130dpa C6D ラッパ管交換 CMIR( 継続照射母材 ) CMIR( 新規装荷母材 / 材 ) 材料照射常陽 MK-Ⅱ からの継続照射燃料集合体照射 (15Cr20Ni 被覆管 /FMS ラッパ管 ) 10 万 MWd/t, 100dpa 23 万 MWd/t, 250dpa (2016) 部の照射試験材料強度基準整備のための環境効果 ( 照射効果 ) データの取得が必要照射効果 ( 引張曲げ ) の確認ラッパ管の開発計画常陽 (or もんじゅ ) 集合体照射試験燃料集合体照射 (ODS 鋼被覆管 /FMS ラッパ管 ) もんじゅ運転燃料 (PIE 期間は含まない )

2 共通技術高強度フェライト / マルテンサイト鋼ラッパ管の開発 (2/5) フェーズ Ⅱ 期間中の研究成果ラッパ管製造技術開発ラッパ管製造過程において予め鋼ラッパ管の両端に短尺の鋼を TIG 溶接した後一体で加工熱処理を施して仕上げる複合ラッパ管製造技術を開発した (1) 特長丸管どうし (/) の TIG 溶接容易ラッパ管との一体加工による曲がり矯正製造メーカでのラッパ管熱処理時に δ フェライト相消失エントランスノズルハンドリングヘッドとの溶接は従来技術で対応可ラッパ管 SUS 継手 FMS 管 TIG 溶接溶接部 (Ni-20Cr) 六角抽伸部強度評価熱処理 (1) 異材接合ラッパ管製造技術燃料集合体ハンドリングヘッド () ラッパ管 () エントランスノズル () 炉心支持板 (,SUS304) (2) 溶接時の問題と解決方法溶接時の入熱により側溶接熱影響部に δ フェライト相生成ラッパ管として使用中に靭性低下の懸念溶接後熱処理にて δ フェライト消失 (3) 仕様上の要求項目長さ肉厚対面間距離ねじれ真直度等の仕様上の要求項目は従来材と同様に達成 Temperature ( ) L L+δ 1400 δ δ+γ 1200 γ γ+(v,nb)(n,c) δ+γ (V,Nb)(N,C) γ+(v,nb)n+m 23 C δ+γ+(v,nb)n+m 23 C 6 α+(v,nb)n+m 23 C α+(v,nb)n+laves+m 23 C Carbon (wt%) の状態図 δ フェライト相生成 δ フェライト相消失 TIG 溶接圧延方向 55±5A 17V Ar,8?/min,8l/min,φ2 (Ni-20Cr-3Nb) 60 軟化焼鈍 :800 30min Ar 冷却冷間圧延 1.9mm 焼ならし焼戻し : min Ar 冷却 min Ar 冷却 ) (2) 方法 (3) ラッパ管の外観

衝撃特性溶接境界部の衝撃特性は FMS 母材と同等以上部としての材料強度基準は母材の基準を適用ラッパ管の接合方法に関する課題接合部の熱膨張差応力や接合部での冷却材リークを考慮しハンドリングヘッドおよびエントランスノズル材質も含めて接合方法を検討した (1) 上部

ヘット FMS 鋼ラッハ管との接合方法共材溶接 (TIG 圧延 ) 機械接合延性破面率 (%) 破断後試験片外観 (1) 部の機械的性質亀裂試験温度 -100 衝撃特性吸収エネルギー (J) DBTT:-119 USE: 12.

3 共通技術高強度フェライト / マルテンサイト鋼ラッパ管の開発 (3/5) フェーズ Ⅱ 期間中の研究成果 (2) 機械的性質部の機械的性質を評価する目的で引張およびシャルピー衝撃試験等を実施した (1) 引張強度溶接境界部の引張強度は SUS 母材と同等以上 (2) 衝撃特性溶接境界部の衝撃特性は FMS 母材と同等以上部としての材料強度基準は母材の基準を適用ラッパ管の接合方法に関する課題接合部の熱膨張差応力や接合部での冷却材リークを考慮しハンドリングヘッドおよびエントランスノズル材質も含めて接合方法を検討した (1) 上部ハンドリングヘッド材質接合方法または機械接合の適用 (2) 下部エントランスノズル材質接合方法の適用可平均式引張特性設計式材 SUS 母材部で破断接合位置上部ハントリンクヘットエントランスノスル実績値製ハントリンクヘット製ハントリンクヘット FMS 鋼ラッハ管との接合方法共材溶接 (TIG 圧延 ) 機械接合延性破面率 (%) 破断後試験片外観 (1) 部の機械的性質亀裂試験温度 -100 衝撃特性吸収エネルギー (J) DBTT:-119 USE: 12.5J 断面ミクロ組織 h 時効材溶接境界部に沿って亀裂伝播課題上部ハット部の脆性破壊防止基準 ( 溶接後熱処理が必要 ) 接合部の熱膨張差応力 ( 製造時残留応力を考慮 ) 接合部での冷却材リーク ( 影響小 ) 接合部の熱膨張差応力 ( 影響小の可能性 ) 適用性難可能性有り可能性有り製エントランスノスル共材溶接炉心支持板との間での冷却材リーク回避 ( 溶接後熱処理が必要 ) 難下部製エントランスノスル (TIG 圧延 ) 機械接合接合部の熱膨張差応力 ( 影響小 ) 機械接合部での冷却材リーク回避適用可能難 (2) ラッパ管の接合方法に関する課題

4 共通技術高強度フェライト / マルテンサイト鋼ラッパ管の開発 (4/5) フェーズⅡ 期間中の研究成果 (3) ラッパ管の設計基準の検討 (1) 評価項目不安定クラックの伝播防止( 脆性破壊防止 ) のための設計基準については新たに暫定案を策定した材料強度基準整備ラッパ管部についてはすでに暫定案を策定済み新たに異材接合部について検討した (1) 材料強度各母材(,) の数値を重ねあわせ小さい方の値を適用可能 (2) 環境効果照射試験 ( 核特性リグ 20dpa) 終了 PIE 実施予定 (3) 材料物性各部位 (,, ) の値をそれぞれ適用可能破損形式引張破断又は過大な塑性変形長期荷重クリープ破断熱クリープ損傷 + 疲労損傷不安定クラックの伝播脆性破壊防止のための設計基準設計方針 ( 弾性解析 ) 従来評価法を適用新たに検討実施 (1) 設計基準の検討パラメータ DBTT USE K 1C 項目母材材料強度設計応力強さ S m 設計降伏点 S y 設計引張強さ S u 設計クリープ破断応力強さ S R 許容繰返し数 N 累積損傷制限値 D 環境効果 Na 腐食量短時間強さ補正係数 (15~30dpa) 延性脆性遷移温度 (40~70dpa) 材料物性ヤング率ポアソン比平均熱膨張係数熱伝導度比熱密度変態点評価結果 <150( ) >50(J) >100(MPa m 0.5 ) >30(MPa m 0.5 ) 延性温度域脆性温度域 DBTT : Ductile-Brittle-Transition -Temperature 延性脆性遷移温度 USE :Upper Shelf Energy 上部棚エネルギー : 破壊靭性値 K 1C (2) 材料強度基準の整備部各母材 (,) の数値を重ねあわせ小さい方の値を適用照射試験 ( 核特性リグ, 20dpa) 終了 PIE 実施予定各部位 (,, ) の値をそれぞれ適用

5 共通技術高強度フェライト / マルテンサイト鋼ラッパ管の開発 (5/5) まとめおよび今後の課題 1 技術開発 :を実用化燃料集合体ラッパ管に適用するために / ラッパ管製造技術を開発した 2 設計基準の検討 : 脆性破壊防止のための設計基準を新たに検討した 3 材料強度基準整備 : 母材の材料強度基準を策定した / 部は各母材の材料強度基準を適用可能である 4 照射計画 : 母材については ~70dpa 程度の照射試験を実施し環境効果として材料強度基準に反映した今後高照射データを蓄積していく計画である公開資料査読付論文 (1) Empirical Correlation of Specimen Size Effects in Charpy Impact Properties of 11Cr-0.5Mo-2W,V,Nb Ferritic-Martensitic Stainless Steel, A.Uehira and S.Ukai, J.Nucl.Scie. and Technol., Vol.41,No.10 (2004)973 (2) Development of Manufacturing Process of Wrapper Tube with Short Joint, T.Narita, S.Ukai and M.Fujiwara, J.Nucl.Scie. and Technol., Vol.42, No.9 (2005) 特許 (1) 第号溶接継手付きラッパ管及びその製造方法畠山耕一鵜飼重治奥田隆成藤原優行

Japanese nuclear policy and its effect on EAGLE project

Japanese nuclear policy and its effect on EAGLE project 2018 年 8 月 23 日 JASMiRT 第 2 回国内ワークショップ 3 既往研究で取得された関連材料特性データの現状 - オーステナイト系ステンレス鋼の超高温材料特性式の開発 - 鬼澤高志下村健太加藤章一若井隆純日本原子力研究開発機構背景目的 (1/2) 福島第一原子力発電所の事故以降シビアアクシデント時の構造健全性評価が求められている構造材料の超高温までの材料特性が必要

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