(57)【要約】【課題】本発明は、多くの環境条件を考慮することで、長期間にわたって使用する金属部材に対して、より信頼性の高い金属の水素脆化予測方法を提供することを目的とする。【解決手段】金属の水素脆化の予測方法であって、前記金属中全体の水素の全体的な拡散を表す項と、前記金属の温度勾配に従う水素の拡散を表す項と、前記金属に負荷する応力に従う水素の拡散を表す項と、外部から金属内に浸透する水素の量を表す項と、を含む金属中の水素濃度と時間の関係式をもとに所定時間経過後の前記金属中の水素濃度分布を算出し、前記水素濃度分布をもとにえられる金属中の水素濃度が所定の値よりも大きいとき又は大きいところは水素脆化すると予測することを特徴とする金属の水素脆化予測方法。【選択図】      図３
2004340817.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の水素脆化の予測方法であって、
前記金属の水素濃度勾配に従う水素の拡散の時間の経過に伴う変化を表す項と、
前記金属の温度勾配に従う水素の拡散の時間の経過に伴う変化を表す項と、
前記金属に負荷する応力に従う水素の拡散の時間の経過に伴う変化を表す項と、
外部から金属内に浸透する水素の量の時間変化量を表す項と、
を含む金属中の水素濃度と時間の関係式をもとに所定時間経過後の水素濃度分布を作成し、
前記水素濃度分布おいて、前記金属中の水素濃度が所定の値よりも全体として大きいとき又は部分的に大きい場所は全体又は前記大きい場所が水素脆化すると予測することを特徴とする金属の水素脆化予測方法。
【請求項２】
前記金属中の水素濃度と時間の関係式は、
前記金属中の水素濃度をＣ、経過時間をｔ、金属中の水素の拡散係数をＤ、輸送熱をＱ、気体定数をＲ、そのときの温度をＴ、外部からの水素の侵入速度をＦ、前記金属に負荷している静水圧をσｐ、水素原子侵入による容積変化をΔＶとすると、
【式１】
2004340817.tif 000006
で表されることを特徴とする請求項１に記載の金属の水素脆化予測方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の金属の水素脆化の予測方法において、
前記金属の水素濃度勾配に従う水素の拡散の所定時間経過後の変化量を算出するステップと、
前記金属の温度勾配に従う水素の拡散の所定時間経過後の変化量を算出するステップと、
前記金属に負荷する応力に従う水素の拡散の所定時間経過後の変化量を算出するステップと、
外部から金属内に浸透する水素の量の所定時間経過後の変化量を算出するステップと、
を含む前記金属中の水素濃度の算出方法にて所定時間経過後の前記金属中の水素濃度分布を作成することを特徴とする記載の金属の水素脆化予測方法。
【請求項４】
請求項１、２又は３いずれかに記載の金属の水素脆化予測方法によって予測される金属材料の水素脆化の危険性の回避を設計条件の一つとして含んでいることを特徴とする金属部材の設計方法。
【請求項５】
請求項４に記載の金属部材の設計方法をもとに形成されることを特徴とする金属部材。
【請求項６】
チタン−炭素鋼複合材を主材料とする高レベル放射性廃棄物の処分容器であるチタン複合オーバーパックであって、
前記請求項４に記載の金属部材の設計方法により設計されることを特徴とするチタン複合オーバーパック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時間経過による金属の水素脆化予測法及び水素脆化予測法を用いた金属部材設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地中及び（又は）海中等のように腐食環境下又はその場の環境がわからない場所で用いられる部材には、該部材を形成する材料として環境強度の高い金属材料が用いられることが多い。一般的に金属の環境強度としてまず考えられるものが耐食性である。酸又はアルカリによる腐食に対してどれだけ耐性があるかを示すものが耐食性である。また、長期間にわたりメンテナンスができない部材等を構成する金属材料に対しても、その場の雰囲気にかかわらず安全サイドの選択として耐食性の高い金属材料が用いられることが多い。
【０００３】
酸又はアルカリによる腐食と同様に、金属の環境強度の評価において重要なものに水素脆化がある。水素脆化は予め前記金属中に固溶している水素や前記腐食にて発生した水素等が該金属と結合して水素化合物を析出することで金属が脆化し、最終的に破壊してしまうものである。例えばチタン、タンタル、ジルコニウム等の金属は耐食性が優れている金属であるが、水素脆化感受性が高い（水素脆化を起こしやすい）金属であることが知られている。
【０００４】
そこで従来より金属の水素脆化の評価に関する方法は多く提案されている。例えば、特開平５−２４９０２５号公報に記載されている水素脆化の評価方法は、炭素鋼に含有される水素の濃度を測定し、水素濃度の測定値が設定値より高い場合に炭素鋼において水素脆化が起こる可能性が高いと判断するものである。また、炭素鋼等の鋼材においても水素脆化は発生することが知られている。
【０００５】
また、特開２０００−３２９７２６号公報に記載の鋼材の水素脆化感受性の評価方法は電気化学的手法を用いて電界溶液中における鋼材表面の吸着水素のレベルを測定して、水素脆化感受性の評価を行う方法と、電解溶液中で鋼材に一定の低歪速度または引張り応力を負荷し、Ｅｃｏｒｒよりも還元側で電位を変化させ、鋼材が破断に至るまでの最短時間、または最大応力の最小値を測定して水素脆化感受性を評価する方法を示している。
【０００６】
また特開２００１−１４１６９８号公報は、参照コイル及び検出コイルを備えた渦流洗差を被測定管としてのチタン管内に挿入し、所定周波数の交流電流を前記参照コイルに印加して前記チタン管のインピーダンス変化を検出コイルで測定し、測定結果からノイズを排除したインピーダンス変化量に基づいて前記チタン管の水素吸収量を求める水素脆化判定方法を開示している。
【０００７】
上記の３つの先行技術例はいずれも実験手的手法にて金属材料内部の水素の量を測定し、測定された水素量を基に水素脆化の判定を行うものである。
【０００８】
例えば、高レベルの放射性廃棄物を地下埋設するときの処分容器の材料のひとつとしてチタン−炭素鋼複合材（以下、チタン複合オーバーパック）の適用が検討されている。チタン−炭素鋼の複合オーバーパックは高レベルの放射性廃棄物のガラス固化体を炭素鋼で包み込み放射線の外部への放射を遮断し、さらにその外部からチタンライニングにて囲繞するものである。炭素鋼の封入容器は
ガラス固化体からの放射線を遮断すると共に、チタン複合オーバーパックの応力による破壊を防ぐ強度部材として用いられている。チタンは耐食性に優れた材料であり、チタン複合オーバーパックの外部からの酸又はアルカリによる腐食を防止するためにライニングとして用いられている。
【０００９】
チタンは耐食性が高いと同時に水素脆化する材料として知られており、前記チタン複合オーバーパックは長期間（１０００年又はそれ以上）にわたって地中に埋没されるため、長期にわたるチタンライニングの耐食性及び水素脆化の評価が検討課題となっている。また、炭素鋼の封入容器はチタンライニングに囲繞されているので外部からの腐食は起こりにくいが、溶存水素による水素脆化は発生する可能性がある。
【００１０】
そこで、下式であらわす金属中の水素の拡散を表すフィックの第２法則を用いて金属中の水素濃度を算出して水素脆化の評価を行うものが開示されている。
【式２】
2004340817.tif 000003
ただし、Ｃ：金属中の水素濃度、ｔ：時間、Ｄ：水素の金属中における拡散係数、ｘ：座標を示している。
そして、上記式を差分法、有限要素法等の数値解析手法を用いて金属中の水素濃度分布を算出し、金属の水素脆化の予測を行うものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開平５−２４９０２５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３２９７２６号公報
【特許文献３】
特開２００１−１４１６９８号公報
【非特許文献１】
核燃料サイクル開発機構、”わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性−地層処分研究開発第２次取りまとめ−    分冊２  地層処分の工学技術”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１１年１１月２６日、核燃料サイクル開発機構、［２００３年４月２３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｎｃ．ｇｏ．ｊｐ／ｋａｉｈａｔｕ／ｔｉｓｏｕ／２ｍａｔｏｍｅ／ｂｕｎｓａｔｕ２／ｐｄｆ／０４−０１−１．ｐｄｆ＞
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特開平５−２４９０２５号公報及び特開２００１−１４１６９８号公報に記載の手法で金属中の水素濃度を測定し水素脆化の判断をするものの場合、既に設置されている金属部材の金属内部の水素濃度の測定をしたときの水素脆化の状態を判断するものであり、測定結果を基に前記金属が所定の時間を経た後の水素脆化を評価するものではなく、前記金属部材の時間経過によって発生する水素脆化を予測して、該水素脆化による金属部材の耐久性について予測することは困難である。
【００１３】
また、特開２０００−３２９７２６号公報に記載の水素脆化感受性の評価方法を用いて水素脆化感受性を評価するものの場合、金属材料（ここでは鋼材）の水素脆化感受性の評価を行うものであり、金属材料の特性を評価するものであり、金属材料の経時変化に関して評価するものではなく、金属材料の時間によって発生する水素脆化を予測して、該水素脆化による金属部材の耐久性について予測に用いることは困難である。
【００１４】
また、フィックの第２法則を用いて水素の数値解析にて水素濃度の分布を求めて金属中の水素濃度分布の経時変化を求め、その結果をもとに金属の水素脆化予測方法を行うものの場合、前記金属全体の水素拡散のみを対象としている。また、水素は金属材料において温度、応力によって凝集したり拡散したりすることはよく知られていることである。例えば、水素は金属部材の内部で引張り応力が作用している部分に集中する傾向がある。しかしながら、この解析では、応力及び温度による水素濃度の部分的な偏りによる水素脆化の予測を行うことは困難である。
【００１５】
また、温度のみを加えて水素拡散を扱ったものや、応力のみを加えて水素拡散を扱ったものも例示されているが、これらは、温度のみが影響する環境での水素濃度の予測、応力のみが影響する環境での考察であり、温度も応力も両方影響するような場所での水素濃度の予測を行うものではない。
【００１６】
このような問題を鑑みて、本発明は、多くの環境条件を考慮することで、長期間にわたって使用する金属部材に対して、より信頼性の高い金属の水素脆化予測方法を提供することを目的とする。
【００１７】
また本発明は、多くの環境条件を考慮することで、長期間にわたって使用する金属部材を、高い安全性を有し、信頼性高く製作することができる金属部材の設計方法を提供することを目的とする。
【００１８】
さらに本発明は、あらゆる設置環境にて長期間の使用する場合も、その設置環境において十分な耐久性、安全性を有し、且つ、無駄の少ない金属部材を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は金属の水素脆化予測方法であって、前記金属の水素濃度勾配に従う水素の拡散の時間の経過に伴う変化を表す項と、前記金属の温度勾配に従う水素の拡散の時間の経過に伴う変化を表す項と、前記金属に負荷する応力に従う水素の拡散の時間の経過に伴う変化を表す項と、外部から金属内に浸透する水素の量の時間変化量を表す項と、を含む金属中の水素濃度と時間の関係式をもとに所定時間経過後の水素濃度分布を作成し、前記水素濃度分布おいて、前記金属中の水素濃度が所定の値よりも全体として大きいとき又は部分的に大きい場所は全体又は前記大きい場所が水素脆化すると予測することを特徴とする金属の水素脆化予測方法を提供する。
【００２０】
このようにすることで、所定時間経過後の前記金属内部の水素の濃度を全体の水素の全体的な拡散だけでなく、温度勾配、応力による水素の拡散及び凝集挙動も考慮して該金属内部の水素濃度分布を算出するので、水素濃度の偏りによる金属の水素脆化の発生も考慮に入れることが可能である。
【００２１】
それだけ、より実際に近い金属中の水素分布を得ることができ、それだけ精度よく水素脆化の予想を行うことが可能である。
【００２２】
また前記金属中の水素濃度と時間の関係式として、前記金属中の水素濃度をＣ、経過時間をｔ、金属中の水素の拡散係数をＤ、輸送熱をＱ、気体定数をＲ、そのときの温度をＴ、外部からの水素の侵入速度をＦ、前記金属に負荷している静水圧をσｐ、水素原子侵入による容積変化をΔＶとすると、関係式は、
【式３】
2004340817.tif 000004
で表されるものを例示することができる。
【００２３】
このとき、上式で表される微分方程式の解法として、差分法、ＦＥＭ（有限要素法）等の数値解析手法を用いるものを例示することができる。また、これらの手法に限定されるものではなく、上式にて金属中の水素濃度を求められるものを広く採用することが可能である。
【００２４】
また本発明は、前記金属の水素濃度勾配に従う水素の拡散の所定時間経過後の変化量を算出するステップと、前記金属の温度勾配に従う水素の拡散の所定時間経過後の変化量を算出するステップと、前記金属に負荷する応力に従う水素の拡散の所定時間経過後の変化量を算出するステップと、外部から金属内に浸透する水素の量の所定時間経過後の変化量を算出するステップと、を含む前記金属中の水素濃度の算出方法にて所定時間経過後の前記金属中の水素濃度分布を作成することを特徴とする記載の金属の水素脆化予測方法を提供する。
【００２５】
また本発明は、上述の金属の水素脆化予測方法によって求められる金属材料の水素脆化の危険性の回避を設計条件の一つとして含んでいることを特徴とする金属部材の設計方法を提供する。
【００２６】
このことより、従来の設計方法に比べより高い安全性及び信頼性を有する金属部材を設計することができる。
【００２７】
また本発明は、上述の金属部材の設計方法をもとに形成されることを特徴とする金属部材を提供することができる。これにより、あらゆる設置環境にて長期間の使用する場合も、その設置環境において十分な耐久性、安全性を有し、且つ、無駄の少ない金属部材を提供することが可能である。
【００２８】
また上述の設計方法で設計製作される金属部材としてチタン−炭素鋼複合材を主材料とする高レベル放射性廃棄物の処分容器であるチタン複合オーバーパックを例示することができる。
【００２９】
チタン複合オーバーパックは長期間（１０００年間又はそれ以上）において、破損したり、内部の高レベル放射性廃棄物が発する放射線を遮断しなくてはならないものであり、上述の設計方法を用いることで信頼性、安全性をより高めることが可能である。
【００３０】
前記金属部材として、チタン複合オーバーパックを例示したがそれに限定されるものではなく、金属部材の設計製作に広く採用することが可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について説明する。
図１に本発明にかかる水素脆化の危険予測方法を適用するチタン複合オーバーパックの断面図を示す。
【００３２】
図１に示すチタン複合オーバーパック１は、高レベル放射性廃棄物のガラス固化体１１をガラス固化体から発せられる放射線を遮断するための炭素鋼の封入容器１２で囲繞しており、更に炭素鋼の封入容器１２の外側を耐食性に優れたチタンのライニング１３で囲繞している。
【００３３】
ガラス固化体１１を炭素鋼の封入容器１２及びその外側から囲繞するチタンライニング１３にてカバーしたチタン複合オーバーパック１は、地中深く（数百メートルから１０００メートル）に埋設され、その後、長期間（ここでは１０００年間）にわたり保管されるものである。
【００３４】
埋設場所においてチタン複合オーバーパック内部に固溶している水素及び水によるチタンの腐食により発生し外部から侵入してくる水素等によって、チタンの水素化合物が生成され、それによってチタンライニング１３が脆くなる、いわゆる、水素脆化が起こる。
【００３５】
図３に本発明にかかる金属の水素脆化予測方法の一例のフローチャートを示す。本発明にかかる水素脆化の危険性予測方法は、フィックの第２法則の式に熱勾配の項、応力勾配の項を加味した次式を用いて金属中の水素濃度分布を算出するものである。埋設場所においてチタンと水が反応することによって発生する水素原子は全てチタンに吸収されるものとした。
【式４】
2004340817.tif 000005
【００３６】
金属中の水素濃度をＣ、経過時間をｔ、金属中の水素の拡散係数をＤ、輸送熱をＱ、気体定数をＲ、そのときの温度をＴ、外部からの水素の侵入速度をＦ、前記金属に負荷している静水圧をσｐ、水素原子侵入による容積変化をΔＶとする。
【００３７】
この式を基本式としてそれには限定されないがここではＦＥＭ（有限要素法）を用いて数値解析を行う。すなわち、図２に示すように、チタン複合オーバーパック１の断面を矩形の要素に分割しその分割した各要素について水素濃度分布を算出する。炭素鋼とチタンの境界では，炭素鋼の水素濃度とチタンの水素濃度の比率が、実験的によって求まる一定の値となる境界条件を設定する。算出した水素濃度のうち水素脆化が発生するとされている水素濃度、いわゆる、脆化臨界水素濃度（チタンの場合５００ｐｐｍ）と比較することで、水素脆化の予測を行う。
【００３８】
図３のフローチャートによると、まず、微分方程式中の係数、定数（水素の拡散係数Ｄ、輸送熱Ｑ、水素原子侵入による容積変化ΔＶの値）を決定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１にて決定された各値を式に代入し、微分方程式に有限要素法を適用する（ステップＳ１２）。水素脆化の危険性予測の対象となる部材（ここでは図１に示すチタン複合オーバーパック１）を小さな要素に分割する（ＦＥＭメッシュを作製する）（ステップＳ１３）。ステップＳ１３にて分割した各要素ごとに所定時間経過後の水素濃度を算出する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４にて求めた各要素ごと水素濃度をもとに、その時間における金属（ここでは炭素鋼の封入容器１２の炭素鋼及びチタンライニング１３のチタン）内部の水素濃度分布を求める（ステップＳ１５）。
【００３９】
ステップＳ１５にて求めた水素濃度分布と水素脆化を起こす脆化臨界水素濃度とを比較する（ステップＳ１６）。金属中の水素濃度が脆化臨界水素濃度より低い場合（ステップＳ１６にてＹＥＳの場合）は金属は水素脆化しない（ステップＳ１７）、金属中の水素濃度が脆化臨界水素濃度より高い場合（ステップＳ１６でＮＯの場合）は金属は水素脆化の危険性が高いと判断する（ステップＳ１８）。
【００４０】
これにより、従来、全体的な水素拡散のみを対象に、水素脆化の予想をしてきたが、温度勾配による水素の拡散の項及び応力による水素の拡散の項を増やすことで、温度勾配を持つ及び（又は）応力が集中することで水素濃度が局所的に高まり水素脆化の可能性を高める場合についても考慮して予想することができ、それだけ精度の高い水素脆化の予測を行うことが可能である。
【００４１】
図３のフローチャートにおいてステップＳ１１にて決定する水素の拡散係数Ｄ、輸送熱Ｑ、水素原子侵入による容積変化ΔＶの値には定説として用いられるもの又は求め方は存在しておらず、実験や予め提案されている値より推測するものを例示できる。本実施例では、実験によって求めたほかの値をもとに算出した近似値を用いる。また、これらの算出方法に限定されるものではなく、より実際に近い値を広く採用することができる。
【００４２】
図４に本発明にかかる水素脆化の危険性予測方法を含んでいる部材の設計方法の一例のフローチャートを示す。
図４に示すフローチャートではチタン複合オーバーパック１の炭素鋼の封入容器の厚みｔ１及びチタンライニング１３の厚みｔ２を決定する過程を示す（図１参照）。
【００４３】
まず、チタン複合オーバーパック１の埋設場所でのチタン複合オーバーパック１に作用する応力を求め、その応力に耐えることのできる炭素鋼の封入容器１２及びチタンライニング１３の厚みを算出する（ステップＳ２１）。また、チタン複合オーバーパック１の埋設場所の環境状態及び保管時間に対応した腐食挙動を算出してチタンライニング１３の厚みを求める（ステップＳ２２）。また、高レベル放射性廃棄物のガラス固化体からの放射線量を算出しその放射線を遮ることのできる炭素鋼の封入容器の厚みを算出する（ステップＳ２３）。そして、本発明にかかる水素脆化の危険性予測方法を適用して、埋設場所の環境状態、ガラス固化体１からの発熱、チタン複合オーバーパック１に作用する応力から保管時間における炭素鋼の封入容器１２及びチタンライニング１３の水素濃度分布を算出し、炭素鋼の封入容器１２及びチタンライニング１３の水素脆化を予測する（ステップＳ２４）。
【００４４】
ステップＳ２１にて算出された炭素鋼の封入容器の厚み及びチタンライニング１３の厚みと、ステップＳ２２にて算出されたチタンライニング１３の厚みと、ステップＳ２３にて算出された炭素鋼の封入容器１２の厚みと、ステップＳ２４算出された炭素鋼の封入容器１２及びチタンライニング１３の水素脆化の予測結果を考慮して、保管時間が終了した後も、炭素鋼の封入容器１２及びチタンライニング１３にて覆われる高レベル放射性廃棄物が外部にはみ出さないで、且つ、高レベル放射性廃棄物から放射線が外部に放射されることがないチタン複合オーバーパック１の炭素鋼の封入容器１２の厚みｔ１及びチタンライニングの厚みｔ２を決定する（ステップＳ２５）。
【００４５】
以上が、本発明にかかる水素脆化予測方法を含む金属部材の設計方法である。本実施例では応力、酸及びアルカリによる腐食、放射線の放射レベル及び水素脆化の危険性予測をもとに炭素鋼の封入容器１２及びチタンライニング１３の厚みを算出したが、更に多くの条件を含んでいるものに対しても適用可能である。
【００４６】
また、本発明にかかる水素脆化予測方法を含む金属部材の設計方法は、高レベル放射性廃棄物のガラス固化体の処分容器であるチタン複合オーバーパックに対して適用したものを例示しているがそれに限定されるものではなく、時間の経過により水素脆化を起こす可能性のある装置等の金属部材の設計に広く適用することが可能である。
【００４７】
また、本実施例では、金属部材の設計として該金属部材の厚さを決定するものを例に説明したが、それに限定されるものではなく、他の条件に関しても、例えば、構成金属の選定、ボルト締め付け強さ、溶接方法等にも広く適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によると、多くの環境条件を考慮することで、長期間にわたって使用する金属部材に対して、より信頼性の高い金属の水素脆化予測方法を提供することができる。
【００４９】
また本発明によると、多くの環境条件を考慮することで、長期間にわたって使用する金属部材を、高い安全性を有し、信頼性高く製作することができる金属部材の設計方法を提供することができる。
【００５０】
さらに本発明によると、あらゆる設置環境にて長期間の使用する場合も、その設置環境において十分な耐久性、安全性を有し、且つ、無駄の少ない金属部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるチタン複合オーバーパックの概略断面図である。
【図２】図１に示すチタン複合オーバーパックのＦＥＭメッシュを示す概略図である。
【図３】本発明にかかる金属の水素脆化の予測法の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明にかかる金属部材の設計方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  チタン複合オーバーパック
１１  ガラス固化体
１２  炭素鋼の封入容器
１３  チタンライニング
【図１】
2004340817.tif 000007
【図２】
2004340817.tif 000008
【図３】
2004340817.tif 000009
【図４】
2004340817.tif 000010