英知事業(文科省)成果報告会

英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業（廃炉加速化研究プログラム（国内研究））【D1】特殊環境下の腐食現象の解明

課題名：放射線環境下での腐食データベースの構築
令和3年3月1日
国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
研究代表者 加治 芳行
Japan Atom ic Energy Agency

発表内容
1.
2.
3.
4.
5.

研究背景
本事業の目的全体計画と達成目標
実施体制
成果の概要
 ガンマ線照射下腐食試験環境の整備
 ラジオリシスデータセット整備及びデータベース化
 炭素鋼の脱不動態化に及ぼすガンマ線照射の影響評価
 湿潤・乾燥環境でのガンマ線照射による腐食影響評価
 1F機器・構造物の腐食調査票の作成
6. 得られた成果と目標との関係性
7. 成果の効果
8. 今後の発展の方向性

Japan Atom ic Energy Agency

1１．研究背景：想定される1F腐食の課題と実施内容
1F廃炉に向けた腐食研究課題(*)①

放射線環境(ガンマ線)下での腐食②デブリ等からの溶出成分の腐食影響③

薄い液膜や気液界面近傍のPCV内面の腐食④

PCV内負圧管理や一部開放による空気流入の場合のPCV内面の腐食⑤

デブリ加工に伴うコロイド状粒子混入冷却水による配管等の腐食⑥

デブリ堆積下のすき間腐食

⑦

微生物腐食

⑧

再臨界防止剤(ホウ酸イオン)注入による腐食影響

ラジオリシス計算による腐食環境推定（O2、N2、CO2、鉄分(Fe2+、Fe3+等)、ホウ酸）

④

①
③
⑧

1F機器・構造物の腐食調査票の作成(*) 廃炉基盤プラットフォーム 第13回運営会議(2020年1月15日開催)、資料13-6-2 分科会活動報告「特殊環境下の腐食現象の解明に関する分科会」より（https://fukushima.jaea.go.jp/hairo/platform/pdf/platform1310.pdf）

Japan Atom ic Energy Agency

2

２．本事業の目的
1Fの廃炉の着実な推進を考えた場
合、様々な課題が存在するが、とりわけ40年にわたり廃止措置を安全かつ継続的に進めるためには、経年的に劣化が進む構造材料の腐食が重要である。しかし、腐食反応を律速する環境要因に関しては、現状十分にデータが得られている訳ではなく、また、作業の進展に伴い時々刻々と変化し得る。
【本事業の目的】
 想定される範囲を充分に包含した環境条件でのラジオリシスデータ及び腐食影響データのデータベース化
 複雑な流路環境における配管や構造材料の腐食現象の推定と評価試験法の調査
Japan Atom ic Energy Agency

対象となる放射線の環境条件イメージ
2号機格納容器内の測定結果では、7Gy/hが得られているが、デブリの存在部ではより高い値が想定される。
(2019年2月28日TEPCO報告資料より)

3

３．全体計画と達成目標

本事業の計画範囲【達成目標】

 １F廃炉で必要となるラジオリシスデータと構造材料の腐食データを大学等と連携して取得し、データベース化
 中核研究施設として量子科学技術研究開発機構(量研)高崎量子応用研究所に大学等が共用で試験できるガンマ線照射スペースを確保し、実験機器類を整備
 腐食の潜在的な影響を調査・解析するための調査票を整備
4Japan Atom ic Energy Agency

４．実施体制
JAEA

議論

廃炉基盤研究プラットフォーム

助言
ニーズ提示

腐食分科会

ラジオリシスデータセット整備及びデータベース化
計画・手法検討・取りまとめ
調査・解析・評価

ガンマ線照射研究拠点(QST)
ガンマ線照射下腐食試験環境整備
照射場の構築・腐食データの取得

大阪府立大学
ラジオリシスデータの整理・評価
調査・解析・評価
Japan Atom ic Energy Agency

東京工業大学

炭素鋼の脱不働態化に及ぼすガンマ線照射による腐食影響評価
調査・解析・評価

東京大学

腐食調査票の整備
調査・解析・評価

東北大学

湿潤・乾燥環境下でのガンマ線照射による腐食影響評価
調査・解析・評価

5５．成果の概要：ガンマ線照射下腐食試験環境の整備
 海水成分含有水を用いたガンマ線照射容器及び配管を整備
 電離箱による線量率測定を行い照射容器内の線量率分布を評価
1FのRPV・SFPの環境を模擬した照射場を構築
照射室壁
スリーブ

ガンマ線源
ガンマ線

条件制御盤

照射容器海水成分を含む水中に浸漬した金属材料へのガンマ線照射後の生成物の分析装置を整備
Japan Atom ic Energy Agency

6５．成果の概要：ラジオリシスデータセット整備及びデータベース化 -水の放射線分解(ラジオリシス)プロセス-

化学種iの濃度時間変化に関する計算基礎式

初期過程による 2次反応によるプライマリ生成物消失項の生成項

2次反応による生成項

Ci : 化学種iの濃度
gi : 化学種iのプライマリー収率(g値)⇒単位吸収エネルギー当たりのプライマリ生成物の生成量kij : 化学種iと化学種j間の反応速度定数
D : 単位時間当たりの水のエネルギー吸収量 時々刻々と変化する化学種（分子生成物、ラジカル等）の濃度を計算
 添加するイオンの種類や量を変化させ、海水中の各成分のラジオリシスへの寄与を評価
Japan Atom ic Energy Agency

7５．成果の概要：ラジオリシスデータセット整備及びデータ
ベース化
LET(eV/nm)

化学種のg値のLET依存性（室温のデータ）
eaq-•OHH•H2H2O2HO2•

0.2

2.7

2.7

0.6

0.5

0.7-2.3

2.63

2.72

0.55

0.45

0.68

0.008

123

1.48

1.78

0.62

0.68

0.84-1080

0.42

0.54

0.27

1.11

1.08

0.07

Elliot ’09 [3.1.1-16]
ForwardBack

No.

Reactions1eaq- + eaq- (+ H2O + H2O) → H2 + OH- + OH- 7.30 × 109

234
5678
9101112131415
1617181920212223242526
27282930
3132
33343536373839

H• + H• → H2
•OH + •OH→ H2O2eaq- + H• (+ H2O) → H2 + OH•
eaq + OH → OHH• + •OH → H2O
eaq- + H2O2 → •OH + OHeaq- + O2 → O2•eaq- + O2•- (+ H2O) → H2O2 + OH- + OHeaq- + HO2• → HO2H• + H2O2 → •OH + H2O
H• + O2 → HO2•
H• + HO2 → H2O2
H• + O2•- → HO2•OH + H O•
2 2 → HO2 + H2O•OH + O •2 → O2 + OH
•OH + HO2 → O2 + H2O••
HO2 + HO2 → H2O2 + O2O2•- + HO2• (+ H2O) → H2O2 + O2 + OHH2O ↔ H+ + OHH2O2 ↔ HO2•- + H+H2O2 + OH- ↔ HO2•- + H2O•OH↔ O•- + H+
•OH + OH↔ O•- + H2O
HO2• ↔ O2•- + H+HO2• + OH- ↔ O2•- + H2O
H• ↔ eaq- + H+
H• + OH- ↔ eaq- + H2O
H• + H2O ↔ H2 + •OH•OH + HO •2 → O2 + H2O
O•- + HO2- → O2•- + OHO•- + H2 → H• + OHO•- + O2 ↔ O3eaq- + O2•- (+ H2O) → HO2- + OH•OH + HO •2 → HO2 + OH
O2•- + HO2• → O2 + HO2•
•HO2 + H2O2 → OH + O2 + H2OO2•- + O2•- → O2 + HO2- + OHO2•- + H2O2 → O2 + •OH + OH-

5.13 × 109
4.81 × 109
2.77 × 1010
3.53 × 1010
1.09 × 1010
1.36 × 1010
2.29 × 1010
1.30 × 1010
1.30 × 1010
3.66 × 107
1.30 × 1010
1.14 × 1010
1.14 × 1010
2.92 × 107
1.10 × 1010
8.84 × 109
8.40 × 105
1.00 × 108
2.08 × 10-5
9.49 × 10-2
1.33 × 1010
9.49 × 10-2
1.33 × 1010
7.73 × 105
1.55 × 10-1
5.89
2.44 × 107
4.59 × 10-5
8.13 × 109
7.86 × 108
1.28 × 108
3.75 × 109

Ershov ’08 [3.1.1-17]
ForwadBack

日本原子力学会編, 原子炉水化学ハンドブック, コロナ社, 2000.

5.6 × 109
7.9 × 109
5.3 × 109
2.5 × 1010
3.0 × 1010
7.0 × 1091.14 × 1010
1.94 × 1010

本研究において、Cl-、Br-、HCO3-、SO42-、NO3-、Feイオン、窒素酸化物等の2次反応を追加 ⇒ 230式まで拡張

2.0 × 1010
3.44 × 107
2.0 × 1010
2.0 × 1010
2.0 × 1010
3.8 × 1079.96 × 109
7.1 × 109
8.1 × 105
1.17 × 1011
5.02 × 1010
1.27 × 10-4
5.02 × 1010
1.27 × 10-4
5.02 × 1010
1.55 × 10-11
2.11 × 1010
1.58 × 10-93.92 × 107

2.62 × 103

Japan Atom ic Energy Agency

2.5 × 10-5
3.56 × 10-2

1.4 × 1011
2 × 1010

7 × 105

4.5 × 1010

1.8 × 107

1.3 × 1010
5 × 109
9.5 × 107
3.7
3.0 × 10-1
1.6 × 101

2.3 × 1010
3.74 × 107

腐食に関する安定化学種である酸素(O2)、水素(H2)、過酸化水素(H2O2)濃度を解析
純水のラジオリシスの化学反応データセット（室温）(3.1.1-16) A.J. Elliot, “The Reaction Set, Rate Constants and G-Values for theSimulation of the Radiolysis of Light Water over the Range 20° to 350°C
Based on Information Available in 2008”, Atomic Energy of Canada Limited
Report, AECL No.153-127160-450-001, 2009.
(3.1.1-17) B.G. Ershov and A.V. Gordeev, “A Model for Radiolysis of Water andAqueous Solutions of H2, H2O2 and O2”, Radiation Physics and Chemistry, 77,928 – 935, 2008.

8

５．成果の概要：ラジオリシス解析による腐食試験結果の検討
 炭素鋼の腐食への放射線の影響– 生成された酸化剤濃度で腐食速度を推定(*)

𝑖𝑖𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 = 1.4 𝐶𝐶𝑂𝑂2 + 0.4 × 𝐶𝐶𝐻𝐻2𝑂𝑂2

全浸漬及び半浸漬条件での腐食速度に及ぼすガンマ線照射の影響を評価
ガンマ線照射環境下における炭素鋼の腐食速度は実効的な酸化剤濃度で整理可能

ラジオリシス解析により、横軸のカソードインデックス(酸素(O2)と過酸化水素(H2O2)濃度）を計算することにより、縦軸の腐食速度を予測可能
腐食速度とカソードインデックスの関係(*) M. Yamamoto, et al., “Estimation Method for Corrosion Rate of Carbon Steel in Water with Gamma-Ray Irradiation Condition”, European Corrosion Congress 2015.

Japan Atom ic Energy Agency

9５．成果の概要：炭素鋼の脱不動態化に及ぼすガンマ線照射の影響評価
ガンマ線照射下における浸漬試験
UCPA

0.5 mMB

PA

5 mMB

PA

LC

50 mMB

15 mm

ガンマ線照射・非照射環境における炭素鋼の腐食形態
LC

5 mMB +
0.5 mMClLC

5 mMB +
5 mMClJapan Atom ic Energy Agency（○印：照射環境（4kGy/h）、◇印：非照射環境、UC：全面腐食、LC：局部腐食、PA：不働態）

15 mm

 [B4O72-]の増加：不働態化（PA）
 [Cl-]の増加：脱不働態化

10５．成果の概要：湿潤・乾燥環境でのガンマ線照射による腐食影響評価
 試験片：SA738B (Mark II型PCV鋼)試験片の化学組成
CSiMnPSCuNi

CrMo

Ti

FeV

Nb

0.09

0.20

1.45

0.005

0.001

0.28

0.55

0.04

0.23

0.00

Rem

0.040

0.020

表面仕上げ：エメリー紙 #500研磨試験片設置位置：①全浸漬、②半浸漬、③気相溶液：20,000倍希釈人工海水
温度：50±1 °C
大気開放
線量率：0 kGy/h、2.22～2.78 kGy/h
試験時間：25 ~ 1000 h
吊り下げジグクーリングタワー
熱電対
ガンマ線

アルミナ管
試験片
SUS316製ワイヤ

Japan Atom ic Energy Agency

希釈人工海水マントルヒーター

11５．成果の概要：喫水部の局所的な腐食速度-336時間試験 試験片全体での局所的な最大腐食速度は喫水部で観測された
 0 kGy/h: 1.22 mm/year 2.76 kGy/h: 2.02 mm/year
0 kGy/h, 336 h

top
10-0.02
-0.04
-0.06
-0.08
-0.10

0bottom

top
[mm]

2

103-0.02-0.04

4-0.06-0.08102030[mm] 40

2.0-0.100232.76 kGy/h, 336 hbottom30[mm] 40

41020

Corrosion rate[mm/year]

2.01.5

Corrosion rate[mm/year][mm]

重量法による平均腐食速度より3~4倍大きい

1.51.01.00.50.50.0[mm] 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 390.0[mm] 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

336時間の半浸漬試験における水の深さ方向の腐食速度分布（左図：非照射条件、右図：照射条件）
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12５．成果の概要：湿潤気相部における腐食影響評価
 設定温度：50 ℃
 湿度：60, 70, 80, 90, 95 %
 オゾン濃度：20，40ppm

温湿度、オゾン濃度制御下でのACM電流をモニタリング

腐食速度に換算

50℃、各オゾン濃度でのACM電流の相対湿度依存性

ACM電流を押川らの方法(*)に基づいてlogCR(mm/y) = 0.378logQ(C/day)-0.636の式を用いて腐食速度に換算

 オゾン供給によりACM電流が増加 ⇒ オゾンが腐食促進に寄与 高湿度ほどACM電流が上昇。特に90%RH以上で顕著(*) W. Oshikawa, et al., “ACM sensor output to estimate atmospheric corrosion rate of carbon steel exposed under conditions sheltered from rain”, Zairyo-to-Kankyo,
51, 398-403, 2002.

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13５．成果の概要：1F機器・構造物の腐食調査票の作成

Japan Atom ic Energy Agency

14６．得られた成果と目標との関係性
 ガンマ線照射試験施設での照射試験及び分析環境の整備
 1F環境特有の不純物であるCl-、Br-、HCO3-、SO42-、NO3-、Feイオン、窒素酸化物等のラジオリシス反応データセットを整備(230式まで拡張)・デー
タベース化
 ガンマ線照射環境下における炭素鋼の腐食挙動、脱不働態化挙動について整理し、腐食特性マップを作成
 湿潤・乾燥環境でのガンマ線照射データを取得し、喫水部における腐食加速(水膜効果と照射効果の重畳)及び湿潤大気環境下での酸化剤(オゾン)による腐食促進効果を確認
 国内外国際会議等での意見交換及びブレーンストーミングを通して、各種機器・構造物の腐食現象と評価試験方法について総合評価を実施し、腐食調査票を作成
達成目標(P.4)を達成
成果(*)：専門誌論文及び研究開発報告書(４月刊行予定)として公開
波及効果：ガンマ線照射下腐食試験後のH2O2濃度評価技術の高度化(*)学会・国際会議での口頭・ポスター発表：18件、学術専門誌査読付き論文：1報（2報投稿予定（準備中））、研究報告書：1件、施設共用優秀賞受賞（量研：2021年12月9日）

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７．成果の効果
 1F特有の不純物の影響などを考慮したラジオリシス及び腐食データベースに基づいたラジオリシス解析により腐食環境を推定し、腐食速度の予測が可能となった。本基本フレームを用いて、デブリ取り出し期間中の１Fの配管、構造物の長期健全性の評価、並びにデブリ保管容器の劣化対策等が可能となる。
 各種機器・構造物の腐食現象と評価試験方法について総合評価した結果を集約した腐食調査票は、今後の１F廃炉の工程を考える上で具体的な指標となる。
 量研にガンマ線照射試験拠点を整備したことにより、本研究分野における多くの学生や若手研究者(専門家)の育成へ貢献する。
 得られた成果を積極的に公開していくことにより、１Fの廃止措置に役に立つだけではなく、発電事業や規制行政においても利用可能な基盤データを提供することになり、原子力分野全体のメリットにもなる。
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８．今後の発展の方向性
 量研高崎量子応用研究所内に整備したガンマ線照射実験拠点を利用して、放射線影響下での腐食研究を継続的に実施することにより、データを拡充するとともに、本研究分野の技術継承と人材育成を継続
 英知事業R2年度採択案件「α／β／γ線ラジオリシス影響下における格納容器系統内広域防食の実現：ナノバブルを用いた新規防食技術の開発」、「健全性崩壊をもたらす微生物による視認不可腐食の分子生物・電気化学的診断及び抑制技術の開発」に発展的に継続

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