INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT-8

175

照射ステンレス鋼の粒界酸化挙動
GrainBoundaryOxidationBehaviorofNeutronIrradiatedStainlessSteels
福村藤井卓也（TakuyaFukumura）＊1

克彦（KatsuhikoFujii）＊2

福谷

三浦

照光（TerumitsuMiura）＊2

耕司（KojiFukuya）＊2

橘内

裕寿（YujiKitsunai）＊3

要約
照射誘起応力腐食割れ（IASCC）の機構解明の一環として，加圧水型原子炉（PWR）
で照射されたステンレス鋼製のフラックスシンブルチューブ材とバッフルフォーマボルト材を用いて，PWR 一次冷却材模擬環境水中の腐食状況を走査型透過電子顕微鏡により分析し，照射ステンレス鋼の粒界酸化挙動に対する照射量，応力および溶存水素濃度の影響を調べた．照射
量が高いほど粒界に沿った酸化は深くまで進む傾向にあり，粒界酸化が照射により促進されることが分かった．また，腐食中の引張応力負荷により粒界酸化が促進される傾向が認められた．
一方，溶存水素濃度が 30 と 45cm3/kg-H2O では粒界酸化の長さや組織に大きな違いは認められず，
溶存水素濃度による粒界酸化挙動への影響は小さいことが示唆された．IASCC 発生しきい応力
や IASCC 感受性の照射量に対する変化は粒界酸化長さの照射量に対する変化の傾向と類似しており，照射を受けて粒界酸化し易くなることで粒界割れである IASCC が起こり易くなると考え
られる．
キーワード

照射誘起応力腐食割れ，中性子照射，ステンレス鋼，粒界酸化，溶存水素濃度

AbstractAs part of the work to elucidate the mechanism of irradiation assisted stress
corrosioncracking（IASCC）,usingafluxthimbletubematerialandabaffleformerboltmaterial
irradiatedinapressurizedwaterreactor（PWR）,thecorrosionstatusofirradiatedstainlesssteelinasimulatedPWRprimarycoolantenvironmentwasanalyzedbyscanningtransmissionelectron
microscopy and the effects of irradiation dose, stress and dissolved hydrogen concentration
on the grain boundary oxidation behavior of irradiated stainless steel were investigated. It
wasfoundthatthehighertheirradiationdose,thedeeperthepreferentialoxidationofgrainboundaries,andthiswaspromotedbyirradiation.Itwasalsoconfirmedthatthegrainboundary
oxidationlengthwaspromotedbythetensilestressloadduringcorrosion.Ontheotherhand,
thedissolvedhydrogenconcentrationwaschangedfrom30to45cm3/kg-H2O,nosignificantdifferences were observed on the length and structure of the grain boundary oxidation, andit was suggested that the effect of dissolved hydrogen concentration on the grain boundary
oxidationbehaviorwassmall.ChangesinIASCCstressandIASCCsusceptibilitytoirradiationdose corresponded to the tendency of grain boundary oxidation to change for the irradiationdose,anditwasconsideredthatIASCC,whichisintergranularSCC,wouldoccurbecausethegrainboundaryoxidationwaslikelytooccurduetoirradiation.
Keywords

IASCC,neutronirradiation,stainlesssteel,grainboundaryoxidation,
dissolvedhydrogenconcentration

1. は
 じめに

レス鋼に発生する粒界割れである．海外の加圧水型
原 子 炉（Pressurized Water Reactor, PWR） で は

軽水炉炉内構造物の高経年化における重要な技術

IASCC 事例としてバッフルフォーマボルト（Baffle

的問題の一つに照射誘起応力腐食割れ（Irradiation

Former Bolt, BFB） の 損 傷 が 知 ら れ て い る（1）．

AssistedStressCorrosionCracking,IASCC）があ

IASCC の発生条件や発生機構についてはこれまで

る．IASCC は高温水中で中性子照射されたステンに多くの研究が行われており（2）～（5），IASCC 発生し＊ 1 元（株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊ 2 （株）原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊ 3 日本核燃料開発株式会社

現関西電力（株）

INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT-8176

きい応力については約 20 dpa までは照射量の増加

Technique,SSRT）での粒界破面率）は水環境中のに伴って大きく低下するが，約 20 dpa 以上では漸溶存水素（Dissolved Hydrogen, DH）濃度により

（6）
～
（10）

変化することが報告されているが（17）～（19），粒界の．

減する照射量依存性が知られている

BFB 材 を 用 い た IASCC 発 生 し き い 応 力 の 試 験

酸化挙動と DH 濃度の関係はよくわかっていない．

データは約 20 dpa までの照射量しかなく，BFB 材

また，供用中の BFB には応力が負荷されているがと同じ 316 ステンレス鋼製のフラックスシンブル

粒界の酸化挙動に対する応力影響についてもよくわ

チューブ（FluxThimbleTube,FTT）材を用いた

かっていない．

試験データがより高照射量まで取得されている．約

本研究では，PWR 一次冷却材模擬環境水中での20 dpa までの IASCC 発生しきい応力を BFB 材と照射ステンレス鋼の粒界酸化挙動に及ぼす DH 濃度

FTT 材で比較すると，FTT 材の方が BFB 材よりもと応力の影響を FTT 材と BFB 材を用いて調べた．

低い傾向が認められるが（9），その原因は必ずしも

そして，これまでに調べた照射ステンレス鋼の粒界明らかではない．FTT 材の試験データを用いた評

酸化挙動と合わせて，粒界酸化と IASCC 発生との価が保守的であることを示すには，BFB 材と FTT関係を検討した．

材で IASCC 発生しきい応力が異なる理由を明らかにすることが重要である．
IASCC は SCC の発生要因である材料，環境，応力にそれぞれ照射が影響する複雑な事象である．材
料への照射影響としては，中性子照射により材料内

2. 試
 験方法
2.1 試
 験材と腐食条件に欠陥（転位ループやキャビティ，析出物等）や粒試験材は PWR で使用された冷間加工 316 ステン

界偏析（Cr 欠乏や Ni 濃化等）が生じ，これらが機レス鋼製の FTT 材と BFB 材である．FTT 材は国械的性質や腐食挙動（酸化皮膜の性状，粒界酸化の内 の PWR よ り 入 手 し， 照 射 量 が ３，17，19，73

状況）に影響する．このため IASCC 機構の解明には，dpa の部位を用いた．また，未照射の FTT 材も試照射による機械的性質の変化とともに，高温水中で験材として用いた．BFB 材は米国の PWR より取得の腐食挙動の理解が重要となる．軽水炉環境におけされ，旧独立行政法人原子力安全基盤機構（Japan

（11）
～
（13）

る照射ステンレス鋼の腐食挙動に関する報告

NuclearEnergySafetyOrganization,JNES）の「照は多くなく，系統的なデータは少ない．INSS では

射 誘 起 応 力 腐 食 割 れ（IASCC） 評 価 技 術 」 事 業

FTT 材を用いて PWR 一次冷却材模擬環境水中におで使用された残材を入手して用いた．照射量は 19

ける酸化皮膜の性状や粒界酸化の状況を調べ，照dpa である．試験材の化学組成を表１に，照射量，

射ステンレス鋼の腐食挙動について系統的にデー

照射速度および照射温度を表 2 にまとめて示す．

タを蓄積している（14）～（16）．これまでに酸化皮膜はFTT 材の結晶粒径は約 10 µm であり，BFB 材は約

Fe を主とした粒子状のスピネル酸化物である外層

70µm である（9）．

と Fe と Cr を主とした微細なスピネル酸化物である試験材を O リング試験片，C リング試験片およ

内層の２層構造であり，未照射材と同じ構造である

び短冊試験片に加工した後，PWR 一次冷却材模擬

こと，73 dpa までの照射量範囲で照射量の増加に環境水中で定荷重 SCC 試験と腐食試験を実施した．

伴って腐食の促進が確認されること，未照射材では

水環境の温度は 320℃であり，水質は純水にほう酸

ほとんど認められないが，照射材ではほぼ全ての粒をほう素換算で 500 g/m3，水酸化リチウムをリチ界に優先的な酸化が認められること，照射量の増加

ウム換算で 2 g/m3 添加し，高純度アルゴンガスでに伴って粒界酸化長さが長くなり，照射により粒脱気後（溶存酸素濃度 <1ppb）に水素ガスを添加

界酸化が促進されること，粒界酸化長さは IASCC

したものである．

発生しきい応力と類似した照射量に対する変化傾（15）

試験片の ID，材料，照射量，DH 濃度および形状．しかしながを表３にまとめて示す．なお，ID は材料，照射量，ら，照射量とともに変化する材料特性は多く，粒形状の順に設定した．FTT-0-O から FTT-73-O まで

界酸化と IASCC 発生との関係を明らかにするにはの４つの試験片については，DH 濃度は 30 cm3/kg-

更なる検討が必要である．IASCC 発生しきい応力

H2O（以降 DH30）の条件で定荷重 SCC 試験（最大や感受性（低歪み速度引張試験（Slow Strain Rate

引張応力 900 MPa）に 1149 時間供された O リング

向を示すことを明らかにしている

INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT-8

表１

177

試験材の化学組成（単位：wt%）

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Fe

FTT 材

0.04

0.62

1.63

0.022

0.006

12.61

16.94

2.22

balance

BFB 材（9）

0.05

0.55

1.55

0.021

0.025

12.45

17.71

2.26

balance

表２

グ試験片の管断面並びに短冊試験片の鏡面仕上げ

試験材の照射条件

材料

照射量
（dpa）

照射速度
（dpa/s）

照射温度（℃）

面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Micro-

FTT 材

3

8.7 × 10-9

323

FTT 材

17

4.0 × 10-8323

透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron

FTT 材

19

4.8 × 10-8

323

FTT 材

73

1.5 × 10-7

297

BFB 材

19

3.8 × 10-8

302

表３
ID

試験片の ID，材料，照射量，DH 濃度および形状
材料

照射量
DH 濃度
（dpa） （cm3/kg-H2O）

scope, SEM）を用いて観察するとともに，走査型
Microscope, STEM）を用いて粒界部の断面を観察 を し た． な お， 断 面 観 察 に は 集 束 イ オ ン ビ ーム（Focused Ion Beam, FIB） 加 工 で 作 製 し た 粒
界を含む厚さ 100 nm 以下の薄膜試料を用いた．薄膜試料には加速エネルギーを 2 kV まで低下させたGa イオンビームで最終加工を行い，FIB により導形状入されるダメージ層の低減を図った．また，酸化皮膜と粒界酸化部のミクロ組成を STEM に付属のFTT-0-O FTT 材

0

30

O リング

FTT-3-O FTT 材

3

30

O リング

FTT-19-O FTT 材

19

30

O リング

FTT-73-O FTT 材

73

30

O リング

FTT-17-C FTT 材

17

45

C リング

FTT-73-P FTT 材

73

45

短冊

BFB-19-P BFB 材

19

45

短冊

エネルギー分散型 X 線（Energy Dispersive X-raySpectroscopy，EDS）分析装置を用いて調べた．

3. 試
 験結果
3.1 表
 面および粒界の腐食状況

試験片である．O リング試験片は管状の FTT 材か腐食後の試験片の外観を観察した例を図１に示ら軸方向に長さ 2 mm で切断して作製した．管のす．なお，FTT 材 O リングの代表例として FTT-

外径は 7.62 mm，管の肉厚は 1.24 mm である．な

19-O を示した．DH30 で腐食された O リング試験片

お，管断面は機械研磨とバフ研磨による鏡面仕上げ

は黒褐色の酸化皮膜に覆われていたが，DH45 で腐

（15）

で詳細

食された C リングと短冊試験片は金属光沢が認めらを報告している．FTT-17-C は，DH 濃度は 45 cm3/

れ，酸化皮膜が比較的薄いことが分かった．また，

kg-H2O（以降 DH45）の条件で定荷重 SCC 試験（最SEM および STEM 観察を行った部位を図中に合わ

大引張応力 400 MPa）に 1002 時間供された C リン

せて示した．O リングについては，外周部（初期引グ試験片である．O リングと同様に軸方向に長さ 2

張応力400MPa）と中央部（初期引張応力0MPa）
を，mm で切断し，幅 1.5mm の開口を加えて作製した．

C リングについては外周部（引張応力 400 MPa）とO リングと同様に管断面は機械研磨とバフ研磨によ開 口 近 傍 部（ 応 力 0 MPa） で あ る． な お，FTT-

る鏡面仕上げである．FTT-73-P と BFB-19-P につい

19-O と FTT-73-O は試験中に SCC が発生したため，ては，FTT-17-C と同時に腐食試験した短冊試験片

変形による荷重の再配により応力分布が変化し，初である．寸法はそれぞれ2×3×0.2mm と3×4×0.2

期には応力が 0 MPa であった中央部でも応力が生mm であり，2 × 3mm と 3 × 4mm の面は機械研磨じたと考えられる．

である．試験条件と結果については前報とバフ研磨による鏡面仕上げである．

SEM による表面観察例を図２に示す．表面の腐

2.2 試
 験片の観察および分析

3-O では小さく，照射量の高い FTT-19-O と FTT-

食生成物は未照射材 FTT-0-O と照射量の低い FTT73-O では大きい傾向がある．DH45 で腐食試験した

腐食後の試験片の外観をデジタルマイクロスコー

FTT-17-C，FTT-73-P お よ び BFB-19-P で は， と もプを用いて観察した．また，O リングおよび C リンに表面の腐食生成物は小さく，粒界の位置が明瞭に

INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT︲8

178

55µm
µm

外周部
外周部

FTT-0-O中央部
中央部
a.a.FTT-0-O

55µm
µm
b.
b.FTT-3-O
FTT-3-O中央部
中央部

中央部
中央部

11mm
mm
55µm
µm
a.a.FTT-19-O
FTT-19-O

c.c.FTT-19-O
FTT-19-O中央部
中央部

d.FTT-73-O
FTT-73-O中央部
中央部
d.

55µm
µm

開口近傍部
開口近傍部
e.e.FTT-73-P
FTT-73-P
図２

11mm
mm

外周部
外周部

55µm
µm

55µm
µm
f.f.BFB-19-P
BFB-19-P

試験片の表面観察例

ることが確認された．内層の厚さは3dpa では薄く，0.1µm 以下であったが，19dpa と 73dpa では 0.1 ～b.
b.FTT-17-C
FTT-17-C

0.2 µm で あ っ た．DH45 で 腐 食 さ れ た FTT-17-C，
FTT-73-P および BFB-19-P の酸化皮膜も外層と内層からなっていたが，ともに薄く，ほとんど観察されない箇所もあった．粒界については，未照射材では
11mm
mm

11mm
mm

ほぼ全ての粒界に優先的な酸化が確認された．粒界

d.
d.BFB-19-P
BFB-19-P

酸化部は表面側で広く内部側（先端側）でくさび状

腐食後の試験片外観観察例の尖った形状であった．また，一部に旧粒界に沿っ

c.c.FTT-73-P
FTT-73-P
図１

ほとんど認められなかったが，照射材では観察した観察された．
STEM による粒界部の断面観察結果として原子番号（Z）コントラスト像（ZC 像）を図３に示す．

て，より暗い線状のコントラストが認められた．

3.2 粒 界酸化部の構造および組成

ZC 像では広角散乱した電子線を検出して結像する

DH30 で腐食した FTT 材 O リング試験片についため，組成情報を反映して原子番号の２乗に比例しては，粒界酸化部の構造および組成はすでに報告したコントラストが得られる．これは，重たい原子ほている（15）．粒界酸化部は母材と整合した酸化物でど電子線を広角散乱させる確率が高いためである．

あり，酸化した旧粒界は結晶性の低い酸化物であり，このため ZC 像では母相に比べて酸化部のコント

粒界酸化部は Fe と Ni が少なく，粒界酸化の先端近ラストは暗くなる．DH30 で腐食された FTT-3-O，

傍で Ni が濃化しており，構造や組成に照射量によ

FTT-19-O および FTT-73-O の酸化皮膜は粒子状のる大きな違いは認められなかった．

外層（Fe と Ni を主体としたスピネル）と薄い膜状

DH45 で 腐 食 し た FTT-17-C，FTT-73-P お よ びの内層（Cr を主体としたスピネル）を形成してい

BFB-19-P について，粒界酸化部の構造と組成を調INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT︲8

粒界

試料表面

179

粒界

試料表面

100 nmd. FTT-17-C（開口近傍部）

a. FTT-3-O（中央部）
外層

粒界

100 nm

粒界

試料表面

試料表面

内層

100 nmb. FTT-19-O（中央部）

100 nme. FTT-17-C（外周部）

粒界 試料表面粒界

試料表面100 nm

100 nmf. FTT-73-P

c. FTT-73-O（中央部）

粒界

試料表面

100 nmg. BFB-19-P
図３

粒界部の断面観察例（ZC 像）

べた．FTT-17-C で観察された粒界酸化部の電子線

X 線の信号強度（カウント）である．

回折図形を図４に，EDS 分析による粒界酸化部の図４に示したように酸化した旧粒界は結晶性が低断面の元素分布を図５に，粒界上および粒界を横切いことを示唆するやや不鮮明な電子回折図形を示し

る方向での元素分布を図６にそれぞれ示す．図６のた．また，図５に示したように，ZC 像の暗いコン

横軸は表面あるいは粒界からの距離を，縦軸は特性

トラストは O の分布に対応し，同じ位置で Fe と Ni

INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT︲8180

酸化した旧粒界
酸化した旧粒界
酸化した旧粒界

内層酸化皮膜（右の粒）内層酸化皮膜（右の粒）内層酸化皮膜（右の粒）

ZC
ZC
ZC

100
nm
100
nm
100 nm OO O

NiNi
Ni

FeFe
Fe

CrCr
Cr

SiSi
Si

5050
nm
nm
50 nm

図５
母相（右の粒）母相（右の粒）母相（右の粒）母相（左の粒））母相（左の粒母相（左の粒）EDS 面分析による粒界酸化部の元素分布
（FTT-17-C 開口近傍部）

図図
4 4 粒界酸化部の電子線回折図
粒界酸化部の電子線回折図
図図４
4 粒界酸化部の電子線回折図
粒界酸化部の電子線回折図形
形形（FTT-17-C
開口近傍部）（FTT-17-C
開口近傍部）（FTT-17-C
開口近傍部）形 （FTT-17-C
開口近傍部）

100
nm
100
nm
100 nm

カウント
カウント
カウント

FeFe
Fe

OO
O

NiNi
Ni CrCrCr
Mn
Mn
Mn SiSi
Si

カウント
カウント
カウント

CrCr
Cr NiNi
Ni
Mn
Mn
Mn SiSi
Si

OO
O

粒界からの距離/nm
粒界からの距離/nm
粒界からの距離/nm④粒界酸化先端から
5050
nmnm④粒界酸化先端から④粒界酸化先端から 50 nm
FeFe
Fe⑤粒界酸化先端から
200
nmnm⑤粒界酸化先端から
200⑤粒界酸化先端から 200 nm
FeFe
Fe

粒界からの距離/nm
粒界からの距離/nm
粒界からの距離/nm

図６

CrCr
Cr
OO
Mn
Mn
O
Mn SiSiSi

表面からの距離/nm
表面からの距離/nm
表面からの距離/nm

カウント
カウント
カウント

③粒界酸化先端③粒界酸化先端③粒界酸化先端

NiNi
Ni

FeFe
Fe

NiNi
Ni

CrCr
Cr
Mn
Mn
MnSiSiSi

粒界からの距離/nm
粒界からの距離/nm
粒界からの距離/nm

カウント
カウント
カウント

⑤⑤
⑤
①①
①

FeFe
Fe

カウント
カウント
カウント

②②
②
③③
③④④
④

②粒界酸化内部②粒界酸化内部②粒界酸化内部

①粒界上
①粒界上
①粒界上
粒界酸化先端粒界酸化先端粒界酸化先端

分析位置
分析位置
分析位置

CrCr
Cr
NiNi
Ni
Mn
Mn
Mn SiSiSi
粒界からの距離/nm
粒界からの距離/nm
粒界からの距離/nm

EDS 線分析による粒界酸化部の元素分布（FTT-17-C 開口近傍部）

が欠乏していた．さらに，粒界酸化の先端より深い

Ni のカウントが低下し，粒界酸化の先端では Ni が位置では Fe と Cr の欠乏と Ni の濃化が認められた．

カウントのピークを，Cr がカウントのボトムを示

図６の①に示したように酸化した旧粒界では Fe とし，粒界酸化の先端を超えた未酸化の粒界では Fe

INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT︲8

181と Cr のカウントが増加する傾向が認められた．ました．表面からの距離 200 ～ 400 nm が酸化した旧

た，図６の③に示したように，粒界酸化の先端で粒界に相当する．Fe は酸化した旧粒界でカウント

は粒界の両側～ 10 nm にわたり Fe と Cr のカウンが大きく低下し，試料表面では未酸化の粒界の 0.2

トの低下と Ni のカウントの増加が認められた．こ以下に低下した．Cr は酸化した旧粒界での変化はれに対して，Mn と Si の変化は大きくなかった．こ小さく，未酸化の粒界の 0.8 程度であったが，粒界れらの観察結果は，DH45 で腐食された FTT-17-C，

酸化の近傍で未酸化の粒界の 0.4 程度に低下していFTT-73-P および BFB19-P について共通して認めらる例もあった．Ni は酸化した旧粒界でカウントがれ，
DH30 で腐食された FTT 材の粒界酸化部とも同低下し，試料表面では未酸化の粒界の 0.5 程度に低じであった．照射量や DH 濃度が異なっても同じ腐下していたが，粒界酸化の先端近傍では１以上に増食機構であると考えられる．

加した．未酸化の粒界では組成の７割強が Fe であ酸化した旧粒界については，図３や図４に示したることから，酸化した旧粒界では主に Fe が溶出し，ZC 像から原子番号の小さい原子の割合が大きいか，金属原子密度が低下していると考えられる．また，原子密度が低下していると考えられる．原子密度

EDS カウント数の変化に DH 濃度や照射量による差の変化は，膜厚が一定の場合には EDS のカウントは認められず，酸化した旧粒界での原子密度の低下

数の変化から定性的に評価可能である．図７に Fe，は DH 濃度や照射量に依らないことが分かった．

Cr，Ni について，FTT-19-O と FTT-73-O の中央部と FTT-73-P の粒界に沿った EDS のカウント数の変化を示す．なお，カウント数は試料表面から最も離れた位置の測定点 10 点の平均値でそれぞれ規格化

3.3 粒 界酸化長さ
照射ステンレス鋼の粒界酸化長さの測定結果を図８にまとめて示す．粒界酸化長さは試料表面から粒界酸化先端までの粒界に沿った長さで定義した．な

規格化した EDS カウントお，引張応力の負荷された部位からのデータはハッチングで示した．また，3.1 で述べたように FTT-

Fe

19-O と FTT-73-O については，SCC の発生により腐食中に応力分布が変化したと考えられることから，中央部についても「応力あり」として扱った．
DH30 で腐食された試験片については，照射量が高いほど粒界酸化長さは平均値，最大値ともに増表面からの距離/nm

加する傾向が確認されている（15）．DH45 でも FTT-

規格化した EDS カウント

17-C の開口近傍部と FTT-73-P を比較すると，照射量が高いほど粒界酸化長さの平均値，最大値ともにCr増加する傾向が認められた．
粒界酸化長さに対する応力の影響については，
FTT-17-C の開口近傍部の粒界酸化長さと外周部の粒界酸化長さを比較すると，外周部の方の最大値が規格化した EDS カウント

表面からの距離/nm

図７

大きく，応力による促進が認められた．また，外周部では粒界酸化長さのばらつきが大きい傾向がある．FTT-3-O の中央部の粒界酸化長さと外周部のNi

粒界酸化長さについても，外周部の方の粒界酸化長
さが長い傾向が認められた．差が小さい原因は，照射量 3 dpa では腐食量が少なく，応力の影響が現れにくかったためと考えられる．FTT-19-O の中央部の粒界酸化長さと外周部の粒界酸化長さを比較する
表面からの距離/nmと，初期引張応力の高い外周部の方が長い傾向が粒界に沿った EDS カウント数の変化の比較認められた．同様の傾向は FTT-73-O の中央部と外INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT︲8

182

800

応力なし

700

DH45

DH30

600

粒界酸化長さ (nm)

応力あり

500
400
300
200
100
0

1 中央
3 5

外周15中央外周21 開口7外周9 中央11 13
17 19
23 25 外周
27 29 31 33 35 37 39

FTT-3-O

図８

近傍

FTT-19-O FTT
FTT-73-O

FTT-17-C

FTT-73-P

BFB-19-P

照射ステンレス鋼の粒界酸化長さの比較

周部の粒界酸化長さについても認められた．FTT19-O と FTT-73-O では SCC 発生後の応力分布の変化を考慮する必要はあるが，初期引張応力の高い方がより粒界酸化長さが長く，応力による粒界酸化の

4. 考
 察
4.1 照
 射ステンレス鋼の腐食機構
PWR 一次系環境中でのステンレス鋼の腐食機構促進が示唆される．
粒界酸化長さに対する DH 濃度の影響について

は，母相から高温水中への Fe と一部の Ni の優先的は，FTT-19-O の外周部の粒界酸化長さと，FTT-

な溶出，溶出した Fe と Ni の一部が再析出すること

17-C の外周部の粒界酸化長さを比較すると，最大による粒子状のスピネル酸化物の外層酸化被膜の形

値に大きな差はないが，平均値は FTT-19-O の方が成，および表面からの O の内方拡散による Cr と Fe

（14）は，DH30 の PWR 一を主体とした微細なスピネル酸化物の内層酸化被膜

次冷却材模擬環境水中で無負荷で腐食試験した照射の形成である．照射ステンレス鋼の場合，照射によ量 22 dpa の FTT 材について粒界酸化を観察しており導入される欠陥が物質移動の拡散パスとなることり，約 220 nm の粒界酸化長さを報告している．こで腐食が促進されると考えられる．根本ら（20）は Niの結果は FTT-17-C の開口近傍部と同程度である．

イオン照射したステンレス鋼での腐食速度が照射に

さらに，FTT-73-O の中央部と FTT-73-P の粒界酸より増加すること，Murase ら（21） は 308 ステンレ

化長さを比較しても，最大値は同程度である．DH

ス溶接材が高温純水中プロトン照射条件下で腐食が濃度が増加しても粒界酸化長さに明確な違いは認め促進されることを報告している．本研究で認められられず，照射や応力のように粒界酸化を促進する影

た照射ステンレス鋼のミクロ組織はこれらと共通す

響は，DH 濃度では小さいことが示唆された．

るものであり，照射量や応力，DH 濃度が異なって大きかった．また，西岡ら

BFB-19-P の粒界酸化長さと FTT-17-C の開口近傍部の粒界酸化長さを比較すると，BFB 材の方が平均値，最大値ともに大きく，BFB 材で粒界酸化が促進された可能性が示唆された．

も同一の腐食機構であることが分かった．

4.2 粒
 界酸化に対する影響因子
粒界酸化に対する照射量，応力，DH 濃度の影
響および BFB 材と FTT 材での違いについて検討する．
図８に示したように DH30 と DH45 の環境でともに照射量の増加に伴う粒界酸化の促進が確認された．粒界酸化の促進には照射誘起偏析による粒界組

INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT︲8183成の変化量が関係していると考えられる．福谷ら（22）いことはこれらの報告と異なり，この原因については FTT 材の粒界偏析量の照射量依存性を調べ，照は今後の検討課題である．

射により粒界 Cr 濃度が低下し，Ni 濃度と Si 濃度がDH45 で腐食された BFB 材も内層酸化皮膜は薄増加すること，その変化は 10 dpa 程度まで大きく，く，
 FTT 材と同様の腐食組織が観察された．一方

その後は緩やかになることを報告している．Cr はで，粒界酸化長さは同程度の照射量である FTT-

耐食性に関係しているため，照射による粒界 Cr 濃

17-C と 比 べ て 長 い 傾 向 が 認 め ら れ た．BFB 材 と度の低下に伴う耐食性の低下が粒界酸化が照射によFTT 材では TEM/EDS で分析された粒界組成に大り促進された要因として考えられる．

きな違いは報告されておらず（9），粒界酸化が BFB400 MPa の引張応力が作用した FTT-17-C の外周材で促進された理由を粒界組成から説明することは部では応力負荷のない開口近傍部に比べて粒界酸

難しい．粒界が優先的に腐食されていたことから，化長さの最大値が大きい傾向が認められた．また，粒界がアノード，粒内がカソード反応を担っている

FTT-3-O，FTT-19-O と FTT-73-O の初期応力の高と考えると，粒径が FTT 材の７倍大きい BFB 材でい外周部でも，初期応力が負荷されていない中央部

は試験片の観察面におけるカソードに対するアノーに比べて粒界酸化長さが大きい傾向が認められた．

ドの面積比が小さく，アノード反応が促進されるこさらに，応力なしの部位と比べて，応力ありの部位とで粒界酸化が FTT 材よりも促進された可能性がでは粒界酸化長さのばらつきが大きい傾向が認めら考えられる．

れた．応力は粒界の破壊という直接的な作用だけでなく，粒界酸化の促進にも関係していると考えられ
る．応力が負荷されることにより応力を緩和する方

4.3 粒界酸化と IASCC 発生の関係

向に物質移動（Fe の溶出と O の内方拡散）が促進

DH30 の PWR 一次冷却材模擬環境で FTT 材につされ，粒界酸化が促進される可能性が考えられる．

いて報告された IASCC 発生しきい応力（8），感受性（23）はニッケル基合金を用いた腐食試験によ（17）および粒界酸化長さ（15）（SSRT 試験の粒界破面率）

り，応力負荷が粒界酸化を促進することを報告しての照射量に対する変化を図９に示す．
図９の縦軸は，

寺地ら（24）

は有限要素法解析により多結晶材

発生しきい応力は 1000 MPa，感受性は 100%，粒料中の局所応力の分布を評価し，粒界三重点の近く

界酸化長さは 600 nm を 100% とした相対値である．

では平均応力の２倍程度の局所応力が生じる場合がなお，IASCC 発生しきい応力の傾向線は Takakura

あることを報告している．粒界ごとに作用する局所

ら（9）が FTT 材で報告したものを用いた．発生しき応力は分布を持っており，応力による粒界酸化の促い応力と感受性は，照射量の増加に伴い約 20 dpa

進効果は粒界ごとに異なると考えられ，応力負荷にまでにそれぞれ大きく変化（低下と増加）し，それいる．釜谷ら

よって粒界酸化長さのばらつきが大きくなる原因と考えられる．
DH 濃度の影響については，DH30 と DH45 で粒界酸化長さを比較したが，有意な違いは認められなかった．ただし，表面の腐食状態が DH30 と DH45(8)□ 定荷重試験の発生しきい応力（0~1000 MPa）
(17)

△ SSRT 試験の粒界破面率（0～100%）(15)● 粒界酸化長さ（0~600 nm）

で異なっており，DH30 では 0.1 ～ 0.2 µm の厚さの内層酸化皮膜に覆われているのに対し，DH45 では
内層酸化皮膜は薄く，結晶粒によってはほとんど認められなかった．村上ら（25） は Ni イオン照射した冷間加工 316 ステンレス鋼を用いて腐食試験を実施
し，DH 濃度５と 30 cm3/kg-H2O で腐食量に大きな差がないことを報告している．また，寺地ら（26）による非照射材の 316 ステンレス鋼を用いた腐食試験の結果では，DH 濃度が１～ 45 cm3/kg-H2O の範囲
で DH 濃度の増加により酸化皮膜が厚くなることが報告されている．本研究で DH45 の表面腐食が少な

図９I ASCC 発生しきい応力，感受性および粒界酸化長さの照射量に対する変化傾向

INSS JOURNAL Vol . 27 2020 NT-8184以上の照射量では変化は小さい（漸減および漸増）．

と同様に，試験片の破断時間が短くなる傾向が報告

粒界酸化長さの照射量に対する変化は，発生しきいされている（30）．高応力では粒界酸化のような反応

応力および感受性と類似の変化傾向を示しており，プロセスを必要とせず，機械的な割れにより短時間で破壊が生じると考えられる．ただし，三浦ら相関があると考えられる．
水環境中の DH 濃度が増加すると，発生しきい
（17）

（18）
（19）

は高照射されたステンレス鋼を超微小引張試験

ことがし，酸化した旧粒界は酸化していない粒界よりも粒報告されており，IASCC 発生を促進させる．一方，界強度が低いことを報告している．海外の実機に報

粒界酸化の長さや組織については DH 濃度が 30 と告されている IASCC のように，長期間の供用後に応力は低下し，感受性は増加する（31）

345 cm /kg-H2O で明確な影響は認められなかった．

発生する IASCC については，粒界酸化およびこれ

DH 濃度が増加すると材料中に取り込まれる水素のに伴う強度の低下も発生に対して考慮すべきと考え量が増加し，転位と照射欠陥の相互作用に影響してられる．

変形挙動に影響を及ぼす可能性や，粒界に捕捉された一部の水素が粒界強度に影響を及ぼす可能性が考えられる．発生しきい応力や感受性に確認された

5. ま
 とめ

DH 濃度の影響については，粒界酸化以外の機構に

IASCC 機構の解明のため，320℃の DH 濃度 30 お

よって IASCC の発生に影響している可能性が示唆

よび 45 cm3/kg-H2O の PWR 一次冷却材模擬環境水される．

中で腐食された照射ステンレス鋼の粒界酸化挙動を

BFB 材と FTT 材では IASCC 発生しきい応力に調べ，粒界酸化に対する照射量，応力および DH 濃

違いがあり，BFB 材の方が FTT 材よりも 200 MPa

度の影響を検討するとともに，粒界酸化と IASCC（9）程度高いことが報告されている．BFB 材の粒界発生との関係を検討し，以下の知見を得た．

酸化長さは同程度の照射量の FTT 材よりも長くかならずしも IASCC 発生しきい応力の傾向とは一致

１．粒界酸化は未照射材ではほとんど認められない

しない．BFB 材と FTT 材の発生しきい応力の違い

が，照射材ではほぼ全ての粒界に認められる．

については，製造工程の違いによる結晶粒径と冷間

２．照 射量が３～ 73 dpa の範囲では，照射量が高加工度の違いが影響する可能性があること，表面硬化層の有無が違いの一因となることが Takakura
（9）

ら

（27）
（28）

により報告されている．また，三浦ら

いほど粒界酸化が促進される．
３．腐 食中の 400 MPa 程度の引張応力負荷は粒界酸化を促進する．

に よ り BFB 材 の 粒 界 強 度 は FTT 材 よ り 低 い こ

４．粒界酸化は粒界結合力を低下させ，粒界酸化のと，BFB 材と FTT 材では変形挙動に違いがあり，促進により粒界割れである IASCC が起こり易IASCC の発生を誘起する粒界での高い局所応力はくなると考えられる．

BFB 材では比較的生じにくいと考えられることが

５．DH 濃 度 が 30 と 45 cm3/kg-H2O で は， 粒 界 酸

報告されている．BFB 材と FTT 材の発生しきい応

化挙動に差は認められない．DH 濃度による力の違いについては，報告されているこれらの違い

IASCC 発生しきい応力や感受性の影響は，母による影響も含めて検討する必要がある．

相に取り込まれる水素量の増加による変形挙動

粒界酸化は IASCC の発生要因である粒界強度を低下させる原因の一つと考えられるが，粒界強度は照射によっても低下する．例えば，ステンレス鋼をアルゴンガス中で引張試験すると，高照射材ではわずかであるが粒界破壊が生じるようになることが報告されている（29）．また，高照射材の定荷重 SCC 試
験では，10 時間程度の比較的短時間で試験片が破断する場合が報告されている（30）．このような短時間の試験については，粒界酸化が十分に進んでおらず，破壊における粒界酸化の寄与は小さいと考えられる．高応力での定荷重 SCC 試験でも，高照射材の変化や粒界強度の低下が影響していると考えられる．

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