原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

鉛ビスマス冷却型高速炉における耐食性皮膜付着力の試験技術開発

１．研究開発の背景とねらい

　鉛ビスマス冷却型高速炉は鉛ビスマスが核的特性に優れており、実績のあるナトリウム冷却型高速炉と同様に優れた炉心性能を持つ。またナトリウム−水反応のような激しい反応を生じない化学的不活性であることから、より優れた革新的原子力システムとして概念が想定される。しかし、構造材料である鉄鋼材料の主要構成元素の鉛ビスマスへの溶解度が大きいため、酸素濃度の適切な制御により構造材料表面に熱力学的に安定な保護皮膜を形成させるなどの防食技術開発とその検査技術開発が鉛ビスマス冷却型高速炉の基礎的課題のひとつであり解決が必要である。高クロム濃度のマルテンサイト鋼や酸化物分散強化鋼では薄い酸化皮膜が形成され耐食性皮膜となる見通しがあり、また耐食性皮膜の被覆技術開発も進められつつある。皮膜自身の耐食性という機能評価と同様に皮膜の剥離は腐食の急激な進行を引き起こすので剥離の評価も重要である。皮膜と基板材料からなる材料システムとしての寿命評価あるいは信頼性評価という点から、皮膜付着力の検査技術の開発は重要であると考える。
　炉の稼働中と同じ高温下で皮膜の付着力を測定するため、本技術開発では高温鉛ビスマス中で測定できる、レーザー衝撃法による試験技術の開発を行い、耐食技術の向上に有用な知見を得ることによって鉛ビスマス冷却型高速炉システムの実現に貢献することをねらいとする。

２．研究開発成果

図１ レーザー出力と表面変位速度の関係

　構造材料の耐食保護皮膜の健全性・密着性を検査評価するため、鉛ビスマスに接する環境下で、耐食保護皮膜の付着力の評価が行えるレーザー衝撃式の試験技術の開発を以下の4 つの項目について進めた。（１）衝撃波による皮膜界面の応力評価、（２）レーザー衝撃試験装置の設計・作製、（３）液体金属中での表面変位速度の測定、（４）液体金属に面する皮膜の付着力の測定及び付着力評価試験技術の検討、以上により本測定技術の有効性を確認した。

（１）衝撃波による皮膜界面の応力評価：衝撃による皮膜の付着強度測定技術はこれまでにGupta らによる報告がある（ Gupta et al., J.Mech.Phys.Solids, 40(1992)）。レーザー照射により生じる熱膨張に伴う圧縮の衝撃波が試料表面自由端で反射し引張の応力波として界面に作用し皮膜が剥離することを利用するものである。試料表面自由端における変位速度は図１のように測定された。界面に負荷される応力σは式（A）で表される。

　ここで、h は皮膜の厚さ、c_f は皮膜の弾性定数、ρは皮膜の密度、V₀ は表面変位速度である。

図2 炭素鋼上に形成した皮膜の剥離挙動、数字はレーザー出力、矢印は照射箇所を示す。

（２）レーザー衝撃試験装置の設計・作製：パルスYAG レーザーによる衝撃力付加装置系とレーザー干渉計による表面変位速度系及び試験片装着部からなるレーザー衝撃試験装置を構成した。鉛ビスマス流動ループ中で数千時間の浸漬試験の最近報告によると約10μm 程度の酸化物層が観察されている（Kikuchi et al., J.Nucl.Mater., 377 (2008)）。モデル皮膜試験片として大気中500℃で200 時間酸化し作製した炭素鋼上の約10μm 厚マグネタイト皮膜を用いた。図2 にはこの試験皮膜の剥離挙動を示す。約290mJ 以上のレーザー照射により剥離が生じている。図1 の矢印に相当する変位速度条件に対応する剥離強度は式(A)を用いて約50MPa と算出された。このような条件で形成した皮膜の剥離強度は鉄鋼材料における降伏応力と同程度以下であるので剥離に対する考慮が必要であると考えられる。

（３）液体金属中での表面変位速度の測定：液体金属に面する試験片での測定実験に用いる液体金属用ポット型チャンバーを作製し、チャンバー内で溶融金属が測定試料に接する条件でのレーザー衝撃が可能な光学系を構築した。

図3 鉛ビスマスに接する条件での炭素鋼上に形成した皮膜の剥離挙動、下図の(a)(b)はそれぞれ上図の左右白丸箇所に対応する、(a)の一部には剥離が観察される。

（４）液体金属に面する皮膜の付着力の測定及び付着力評価試験技術の検討:高温酸化により作製したモデル酸化皮膜に対し、液体金属用ポット型チャンバーを用い、約270℃の鉛ビスマスに接する条件で試験を実施した。図3 に示すように、レーザー出力に依存し、剥離が観察された。鉛ビスマス中での皮膜の変化や濡れ性などの条件も評価に影響を及ぼす可能性があることも分かった。
　以上により、高温鉛ビスマス中での皮膜に対するレーザー衝撃試験法の適用に成功し耐食皮膜技術開発への貢献への見通しを得た。

３．今後の展望

　レーザー衝撃試験法での界面に負荷される応力については、フォトンーフォノン相互作用による衝撃波発生や応力パルスの分散の物理過程、試験片形状や皮膜物性などに関する課題も明らかになった。今後は測定手法としての測定精度や定量性のさらなる向上を進めたいと考えている。また、機能性皮膜（耐食性、耐熱性、絶縁性、耐摩耗性など）とともに利用される構造材料については材料システムの信頼性という観点から皮膜の耐剥離性能が重要であると考えられる。皮膜 に接することなく応力を負荷できる特徴的な本手法の適用範囲を広げて行きたいと考える。