核融合炉用極低温構造材料
西.

は じめ

本健太に

現在，フランス南部のカダラッシュにおいて国際熱核融合実験炉(ITER, International Thermonuclear ExperimentalReactor )が 2025 年の運転開始に向けて建設が進められている．核融合発電は核融合反応エネルギーによって発電するため，核分裂時に発生するエネルギーを利用する原子力発電とはまったく異なる発電方法である．その特徴としては，非放射性燃料を利用することや高レベル放射性廃棄物を生じないなどがあるが，核融合反応を起こすための 1 億 2000 万度という超高温のプラズマを発生させなければ核融合反応が止ま

図1

ITER コイル構造体概略図(1)．

るため，核分裂の連鎖反応のような暴走が起こらないことなどがある．後者を換言すると，超高温のプラズマ状態を維持しなければ，安定的に核融合反応を起こすことはできないた
め，強力な磁場で特定の空間にプラズマを維持する手法がとら れ る ． ITER で は 図  に 示 す コ イ ル 構 造 体 が 使 用 さ れる(1) ． 構 造 体 は プ ラ ズ マ を 真 空 容 器 内 に 閉 じ 込 め る TF
( Toroidal Field)，発生したプラズマに電流を流す CS(Central Solenoid )コイル，プラズマ形状の安定のために用いられる PF(Poloidal Field)コイルから形成される．各コイルには Nb3Sn の超伝導導体が組み込まれ，運転時に超伝導導体は極低温(液体ヘリウム温度，4 K)に冷却され，超伝導状態がつくられる．そのため，コイルに使用される構造材料は極低温において所定の強度と靱性を有しつつ，非磁性であるこ

図2

TF コイルケース材料レイアウト(1)．とが求められる．
当社は， 1980年代前半に JAERI(旧日本原子力研究所(現QST/量子科学研究開発機構))と共同で，核融合炉の超伝導JJ1 鋼製 A2 アウタープレートの製造工程について概説する．

マグネット用構造材料の開発に取り組んだ．本材料の開発目
標は極低温である液体ヘリウム温度(4 K)における0.2耐力. JJ1 鋼の開発が 1200 MPa 以上，破壊靱性値( KIC )が 200 MPa m 以上であり，この目標値を満足する材料として 12Cr12Ni10Mn

オーステナイト系ステンレス鋼は優れた強度―靱性バラン

5Mo 0.2N ( mass  ) を 基 本 組 成 と す る JJ1 鋼 が 開 発 さ れスを示す．過去の研究において，SUS304 と SUS316 の 4 Kた(2)．本鋼は図(1)に示す TF コイルケース中で使用条件がにおける引張特性ならびにシャルピー衝撃特性に及ぼす Mo最も厳しい A2 アウタープレートと呼ばれる部位で使用されや C ， N の 影 響 に つ い て 調 査 さ れ て い る ． Mo を 2 ～ 3る．本稿では， JJ1 鋼が上記組成に至った開発経緯およびmass 含む SUS316 は， Mo を含まない SUS304 と同等レ

株式会社日本製鋼所 室蘭研究所研究員(〒0518505 室蘭市茶津町 4 番地)
Cryogenic Structural Materials for Fusion Reactor; Kenta Nishimoto(The Japan Steel Works, Ltd., Muroran)
Keywords: alloying element, strength, toughness, cryogenic, nonmagnetic
2016年 6 月 1 日受理[doi:10.2320/materia.55.457]

ま て り あ 第55巻 第10号(2016)
Materia Japanベルの靱性を有しながら，高い 0.2 耐力を有し， C よりもN の方が低温強度に対する寄与が大きいことから，
SUS316L に N を添加した SUS316LN 鋼が低温用鋼としてより有用であることが示されている(3)．一方で，Mo の添加により d フェライトが析出しやすくなるため，それを抑制するために， SUS316LN から Cr 量を低減した 12Cr 12Niをベースとした試験鋼塊を用いて，低温の機械的特性に及ぼす Mo，Mn および N の影響を調査している(2)．


機械的特性に及ぼす Mo の影響

図に 12Cr12Ni1.2Mn0.1NMo 鋼の 77 K における引張特性に及ぼす Mo 量の影響を示す． 0.2 耐力は Mo 量の増加に伴って上昇するが，これは固溶強化によるものと推察される．伸びは 5 mass までは増加するが， 7 mass 以上になると著しく低下する．図にシャルピー衝撃特性に及ぼす Mo 量の影響を示す．衝撃値は 5 mass までは増加するが， 7 mass 以上になると著しく低下した．図に Mo を
7.7 mass と 9.9 mass 含む 12Cr 12Ni 1.2Mn 0.1N Mo

図412Cr12Ni1.2Mn0.1NMo 鋼の衝撃特性の温度依存性．

図512Cr12Ni1.2Mn0.1NMo 鋼のミクロ組織．のミクロ組織を示す． Mo 量が 5 mass まではオーステナイト単相であるのに対して， 7 mass 以上添加した試料では析出物が認められた．抽出した残渣の X 線回折による分析の結果，これら析出物は Laves 相，R 相，x 相の 3 種の金属間化合物であることが判明した．この金属間化合物の析出が伸び及び衝撃値の低下の原因である考えられる．以上の結果より，最適な Mo 量は 5 massと判断した．

図3


12Cr 12Ni 1.2Mn 0.1N Mo 鋼の 77 K における引張特性に及ぼす Mo 量の影響．

ミ ニ 特 集図6




図712Cr12Ni 5Mo0.15N Mn 鋼の衝撃特性の温度依存性．

図812Cr 12Ni 5Mo 0.15N Mn 鋼 の ミ ク ロ 組 織 ．
(Mn 量15 mass)

12Cr 12Ni 5Mo 0.15N Mn 鋼の 77 K における引張特性に及ぼす Mn 量の影響．

機械的特性に及ぼす Mn の影響

図に 12Cr12Ni5Mo0.15N Mn 鋼の 77 K における引張特性に及ぼす Mn 量の影響を示す． 0.2 耐力と引張強さ
は Mn 量の増加に伴って上昇した．この強度の上昇は Mn添加の効果と， Mn 添加に伴う N の溶解度増加により母相中の固溶 N 量が増加したためと推察される． 1 mass で最も引張強さが高かったのは，オーステナイトが準安定で，加工誘起マルテンサイトが形成されやすかったと考えられる．
一方，伸びは Mn 量が 15 mass を超えると著しく低下した ． 図  に 衝 撃 特 性 に 及 ぼ す Mn 量 の 影 響 を 示 す ． 10massまでは衝撃値に及ぼす影響は小さいが，15 mass以上の添加では衝撃値は著しく低下した．図に最も衝撃値がの増加に伴って上昇した．開発目標である 4 K での 0.2 耐低かった Mn 量 15 massのミクロ組織を示す．Mn 量が 10力 1200 MPa 以上を満足するためには，0.2 mass以上の Nmass まではオーステナイト単相であるのに対して， 15量が必要であることが明らかとなった．図に衝撃特性に及mass 以上添加した試料では， x 相および Laves 相の 2 種ぼす N 量の影響を示す． 4 K で試験を実施した結果， N 量類の析出物が認められた．Mn 量が 15 mass以上での伸びの増加に伴って衝撃値が上昇した．と衝撃値の低下は，これらの金属間化合物の析出が原因であ以上の結果より， 4 K における 0.2 耐力が 1200 MPa 以ると推察される．以上より，12Cr12Ni5Mo0.15NMn 鋼

上で高靱性を有する極低温用構造材料として 12Cr 12Ni においては，Mn は 10 massまでなら靱性への影響は少な

10Mn 5Mo 0.2N の組成が有望であることが明らかとなっく，強化元素である N の溶解度を高めることができるので，た．この組成を有する 50 kg 小型鋼塊を用いて 4 K におけMn 量を 10 massとして高 N 化による強度上昇を図ること

る破壊靱性試験を実施した結果，開発目標 KIC ≧ 200 MPaとした．

m を満足していることが確認された．



機械的特性に及ぼす N の影響

. JJ1 鋼製 A2 アウタープレートの製造

図に 12Cr 12Ni 10Mn 5Mo N 鋼の 4 K における引張特性に及ぼす N の影響を示す．0.2耐力と引張強さは N 量

ま て り あ 第55巻 第10号(2016)
Materia Japan

JJ1 製の TF コイルケース部材/ A2 アウタープレートを物が析出し，延靱性が低下する．そのため，材料内の偏析は極力避ける必要がある．そこで，本鋼種には電極鋼塊溶製後に ，二 次 溶解 と して ESR ( Electro Slag Remelting )を 適 用し，金属間化合物の析出防止及び鋼塊の高清浄度の確保を図っている．
溶製された ESR 鋼塊は，プレスによって鍛錬が行われる．一般的にオーステナイト系ステンレス鋼は後続の熱処理により細粒化を図ることができないため，基本的には鍛錬工程で結晶粒度の調整が必要となる．結晶粒度を制御するために，鍛錬温度における結晶粒成長及び動的再結晶挙動を踏まえ，加熱温度，加工歪等の適切な工程設計がなされる．
鍛錬工程後には，溶体化熱処理が施される．溶体化熱処理
温度は，粒界析出物の固溶および結晶粒粗大化抑制の観点から， 1040 ～ 1056 °C としている．加熱後の冷却は，粒界析出物の生成を抑制するために，冷却する水槽内で強制撹拌して冷却速度の向上が図られている．溶体化熱処理後に所定の機械加工，品質検査が行われ，出荷される．

.
図912Cr12Ni10Mn5MoN 鋼の 4 K における引張特性に及ぼす N 量の影響．

おわりに

本稿では極低温用構造材料として開発された JJ1 鋼について紹介した．本鋼は ITER の超伝導コイルケース用部材としてすでに製造されている．ITER 実験炉の建設後には，原型炉，実証炉の建設が計画されており，高品質の部材を製造することで貢献していく所存である．

文献( 1 ) 小泉徳潔，西村 新日本原子力学会誌，75(2005), 703709.
( 2 ) 石 坂 淳 二 ， 三 浦 立 ， 島 本 進 ， 中 嶋 秀 夫  鉄 と 鋼 ， 76(1990), 791
798.
( 3 ) 三 浦 立 ， 大 西 敬 三 ， 中 嶋 秀 夫 ， 島 本 進  鉄 と 鋼 ， 73(1987), 715
722.
( 4 ) 小 山 庸 一 ， 佐 々 木 友 治 ， 相 澤 大 器  日 本 製 鋼 所 技 報 ， 65(2014), 71
75.

図 10★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

12Cr 12Ni 10Mn 5Mo N 鋼の 4 K における衝撃特性に及ぼす N 量の影響．

2010年 北海道大学大学院工学研究科修士課程修了
2010年 4 月株式会社日本製鋼所入社，現職
専門分野鉄鋼材料◎原子力材料やクラッド鋼の研究に従事．

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2012 年から受注し，製造を開始している．本項では各製造工程のポイントを示す(4)．
JJ1 鋼については前項で既述したように， JJ1 鋼は Mn お西本健太

よび Mo 量が多くなると，x 相や Laves 相などの金属間化合

ミ ニ 特 集