高照射された原子炉圧力容器鋼の照射脆化機構解明

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軽水炉の心臓ともいえる原子炉圧力容器は、炉心や冷却材を収める鋼製の頑強な容器であるが、供用中の中性子照射の影響を受けて破壊靭性値が低下することが知られている。この劣化事象は、照射によって材料中に形成されたミクロ組織が、転位運動の障害物となることにより発現する。本研究は、高照射された加圧水型軽水炉で見られるニッケル、マンガン、シリコンを含む溶質原子集合体の形成機構を明らかにすることにより、合理的な劣化予測と、劣化管理に資することを目的とする。溶質原子濃度の異なる様々な原子炉圧力容器モデル合金に対して、溶質原子が移動しない極低温(<80K)でプロトンを照射して点欠陥を導入した。その後、その場等時焼鈍して、格子間原子型、空孔型等の拡散機構を個別に発現させ、それぞれの拡散機構に対する溶質原子の影響を明らかにした。欠陥濃度の推定には、電気抵抗法と陽電子消滅法を使用した。一般に、照射によって導入された点欠陥の数密度に比例して、極低温での電気抵抗率は増加する。本研究では、この現象が成立し、かつ溶質原子のマトリクスからの減少(つまり溶質原子集合体の形成)が生じると、電気抵抗率が未照射以下のレベルまで低下するように実験条件を整理し、電気抵抗率を欠陥濃度と溶質原子集合体の両方の検出手段として利用した。ニッケル、マンガン、シリコンを含む溶質原子集合体の形成過程については、(1)カスケード損傷過程において直接形成される、(2)転位ループへの偏析に誘起される、などのメカニズムが予想されてきた。照射量の増加に伴い、電気抵抗率の単調な増加が見られた。低温照射においてもカスケード損傷とその冷却過程は発現するが、溶質原子集合体の形成を示唆する電気抵抗率の減少は見られなかった。したがって、(1)カスケード損傷過程における集合体の直接形成という過程は、否定された。鉄-ニッケル-マンガン系では、格子間原子型の拡散過程において、鉄-ニッケル-シリコン系では、空孔型の拡散過程において、それぞれ集合体形成を示唆する電気抵抗率の変化が見られた。いずれのケースでも、1個の点欠陥のシンクまでの移動にによって、10個以上の溶質原子がマトリクスから消滅することが示された。つまり、1個の点欠陥が1個の溶質原子をシンクへ移動させるという(2)従来的な偏析機構でも、溶質原子クラスタの移動は説明できないことが明らかになった。本研究の結果は、ニッケルとマンガンの集合が、格子間原子型の拡散過程における、これらの元素の化学的親和性に基づくことを示すものである。また、ニッケルとシリコン集合が、格子間原子型の欠陥移動による微小な核形成と、空孔型の成長という二段階で起こることを示唆するものである。