INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑8145

フランスの PWR 炉内構造物の照射後ミクロ組織の分析
Characterization of microstructure in irradiated core internals of French PWRs
福谷耕司（Koji Fukuya）＊1
Faiza Sefta＊2

藤井Badra Allouch＊2

克彦（Katsuhiko Fujii）＊1
Cedric Pokor＊2

要約
PWR 炉内構造物に使用されているステンレス鋼の中性子照射によるミクロ組織変化を把握するため，フランスの廃炉 Chooz A のバッフル板（溶体化 304 SS 鋼，照射量 38dpa）と CP0型 PWR から取り出されたバッフルフォーマボルト（冷間加工 316 SS 鋼，照射量７〜 9dpa）について，透過型電子顕微鏡とアトムプローブによる分析を行った．透過型電子顕微鏡分析ではバッフル板に転位ループ，ボイド，γ' 相（Ni3Si）の形成が観察され，ボイドによるスエリングは 0.04%と小さいことが確認された．アトムプローブ分析では Ni-Si クラスタの形成が共通して確認され，Ni-Si-Mn の形成も確認された．国内のフラックスシンブルチューブ（冷間加工 316 SS 鋼，照射量３〜 74dpa）の分析データとの比較検討により材料や照射条件の影響を検討し，実機構造物のミクロ組織変化に関する知見を拡張できた．
キーワード

炉内構造物，ステンレス鋼，中性子照射，ミクロ組織，アトムプローブ，透過型電子顕微鏡

Abstract
Characterization of microstructure was conducted in specimens from Chooz A baﬄeplate corner（solution annealed 304 SS, 38 dpa）
and French CP0 baﬄe bolt（cold-worked 316 SS,7 - 9 dpa）
by using transmission electron microscopy（TEM）and atom probe tomography（APT）.
TEM analysis conﬁrmed that dislocation loops, voids and Ni3Si precipitates were formed in thebaﬄe plate corner and that the swelling was as low as 0.04%. APT analysis conformed that NiSi-Mn clusters were commonly formed. These results were compared with microstructural datafrom ﬂux thimble tubes（cold-worked 316 SS, 3 - 74 dpa）
of a domestic PWR. The microstructure
in stainless steels was evolved generally with neutron doses.
Keywords

reactor core internal, stainless steel, neutron irradiation, microstructure,
atom probe tomography, transmission electron microscopy

1. はじめにNi-Si クラスタの粒内や転位上での形成が確認され中性子照射を受けたステンレス鋼のミクロ組織とている（4）〜（11）．Ni-Si クラスタは透過型電子顕微鏡（TEM）で確認される γ' 相（Ni3Si）の前駆体と考え

ミクロ組成の変化は，軽水型発電用原子炉の炉内構,．Ni-Si-Mn クラスタや Cu リッチ
られている（12）（13）造物の高経年化課題のひとつである照射誘起応力腐クラスタも知られている．軽水炉環境での溶質クラ食割れ（IASCC）のメカニズムを理解する上で重スタの形成とその巨視的性質への影響についての理要である（1）〜（3）．ミクロ組織の変化は転位ループや解はいまだ発展途上である．この研究は，炉内構造キャビティの形成であり，材料の硬化を引き起こし，物のミクロ組織変化の理解を深めることを目的とし転位チャンネルの形成により変形が一様変形から不てフランスのフランス電力（EDF）との共同研究均一な変形に変化する．ミクロ組成の変化には結晶で実施したものである．EDF より提供を受けた実粒界の偏析と溶質元素の析出があり材料の腐食挙動機部材（バッフル板とバッフルフォーマボルト）にに影響する．

ついて TEM と APT による分析を行い，INSS が得

最 近 ア ト ム プ ロ ー ブ（APT） 分 析 が 中 性 子 照
射材のミクロ組織分析に適用されるようになり，＊ 1 （株）原子力安全システム研究所＊ 2 フランス電力公社 EDF

技術システム研究所ている国内 PWR のフラックスシンブルチューブの,と比較検討を行った．
ミクロ組織データ（3）（11）

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑8146

表１
試験片
CP0 バッフルボルト

CW316

Chooz A バッフル板

SA304

分析試料の化学組成（wt%）

CSi

MnPSNiCrMo

Fe

首部‑

0.68

1.64‑‑

10.39

16.22

1.98

Balance

頭部‑

0.821.52‑‑

10.70

16.68

1.83

Balance

‑

0.060

0.78

0.96

0.011

0.003

9.3

18.6

0.02

Balance2. 試験方法

行った．

2.1 試験材を 用 い， レ ー ザ ー パ ル ス モ ー ド で， 試 料 温 度

APT 分 析 は，CAMECA 社 製 の LEAP3000XHR‑238℃，レーザー出力 0.3nJ，パルス周波数 200kHz

提供されたのは，廃炉となった Chooz A 炉の溶で行った．測定用の針状試料は集束イオンビーム

体化 304 SS 製バッフル板コーナー部からの試料（照（focused ion beam, FIB）加工装置（HITACHI 製

射温度 328℃，照射量 38 dpa）と，CP0 型 PWR のNB5000）を用いて作製した．APT 分析では収集し冷間加工 316 SS 製バッフルボルトからのボルト頭たデータの元素同定で Fe と Ni の同位体が重複する部（312℃，9 dpa）および首部（325℃，7 dpa）の質量数 58 を独立の元素として取り扱った．得られ試料である．以下，それぞれ Chooz A バッフルおた３次元の元素マップからの溶質クラスタの抽出はよび CP0 ボルトと略す．材料組成を表１に示す．ボマキシマム・セパレーション法に基づいた再帰的検ルト材についてはバルク値の情報がないため APT

索手法を用いて行った（14）．Si をクラスタのコア元分析で測定したチップの組成を示している．試料は素と定義し，しきい距離 0.7nm としてコア原子が 20

フランスの EDF のホットラボから国内の日本核燃個以上のものをクラスタとした．周辺原子の抽出に料開発の施設に輸送され，そこで TEM 観察を行う

用いるしきい距離には 0.5nm を用い，最後に周辺原とともに微細試料に加工して敦賀の日本原子力研

子のうち 0.5nm 以内に Si もしくは Ni が３個未満し究開発機構の原子炉廃止措置研究センターに輸送かないものを取り除いた．クラスタの大きさにはされた．

ギニエ半径を用いた．

2.2 分析方法

3. 結果

TEM と APT による分析の方法は，INSS で従来からフラックスシンブルチューブに対して実施し,（13）,と基本的に同じ方法である．てきた方法（3）（11）

3.1 CP0 ボルト
図１に APT 分析で得られた元素マップの例を示

TEM 分析は過塩素酸 + 酢酸溶液中での電解研磨にす．この図には斜めの結晶粒界が含まれ，粒界でより作成した観察用試料を，Hitachi HF-2000 と付

は Ni, Si, P, Cu の濃化と Fe, Cr, Mo, Mn の減少が見

設のエネルギー分散型特性 X 線分析（EDS）の装置られている．粒内には Ni-Si が濃化した部分が見らで行った．粒界近傍の組成分析は大傾角の３粒界でれ，これらは溶質クラスタや転位ループへの偏析で図１CP0 ボルトの首部の元素マップ（131 × 36 × 27 nm）

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く，平均組成（at%）は（42-54）Fe,（7-12）Cr,（18-32）
Ni,（12-15）Si,（0.8-1）Mn,（0.4-1）Mo である．ク
ラスタ組成をバルクの組成と比べると，Si と Ni はそれぞれ９倍と２倍となっている．Fe, Cr, Mn, Moはクラスタ部で減少している．5nm 以上のクラス
タの方が Ni と Si の濃度は高くなっており，より発達していることを示す．
図３は APT 分析によるバッフルボルト首部の粒界近傍の元素分布の例である．この図は粒界面に平図２

CP0 ボルトの Ni-Si クラスタのサイズ分布

行な厚さ 1nm の領域の平均組成を粒界からの距離に関してプロットしている．明瞭な Ni, Si, P の濃化ある．バッフルボルトの首部と頭部ではほぼ同様なと Fe, Cr, Mn, Mo の減少が見られる．偏析の幅はNi-Si クラスタの形成と粒界組成の変化が見られた．

約 5 nm である．頭部でも同様な偏析が確認される．

クラスタの位置で P はわずかに濃化しており，Fe,測定した粒界では頭部の方がやや偏析が大きい傾向

Cr, Mo, Mn は減少している．Cu の濃縮したクラスであったが差は小さい．

タは観察されない．
図２は Ni-Si クラスタのサイズ分布を示す．ほとんどのクラスタは直径 3-4 nm で 5nm よりも大きいものも形成されている．Ni-Si クラスタの総密度は233233

首部が 6.1 × 10 /m ，頭部が 7.6 × 10 /m であり，3.2 Chooz A バッフル
バッフル板の TEM 観察によりフランクループ，/m ，頭部ブラックドット，キャビティと析出物の形成が確認された．図４に TEM 像の例を示す．析出物は γ'

頭部がやや多くなっている．
が2.5×10 /m であり，相の回折斑点位置での暗視野像で確認された．平クラスタの組成には首部と頭部の大きな違いはな

均サイズと密度は，フランクループが 8.2 nm と 3.0235nm 以上のクラスタは首部が 1.7 × 102333× 1022 /m3，ブラックドットが 4.2 nm と 5.2 × 1022 /m3，キャビティが 4.2 nm と 1.0 × 1022 /m3，γ' 相が 5.1nm と 7.4 × 1021 /m3 であった．キャビティは低密度で最大直径は約 8nm であり，大きいものは僻晶面をもつように見えることからボイドと考えられる．
平均サイズと密度から計算したスエリングは 0.04%であった．
EDS による粒界分析では明瞭な Ni, Si の濃化とFe, Cr の 減 少 が 見 ら れ た． ３ 粒 界 の 平 均 偏 析 量（ 粒 界 と 粒 内 の 濃 度 差 ） は，‑5.65%Fe, ‑4.86%Cr,7.92%Ni, 2.47%Si であった．
APT 分析による元素マップの例を図５に示す．
ほぼ中央付近に粒界を含んでいる．多数の Ni-Si の濃化した領域が認められ，その一部では明瞭な Mnの濃化も認められる．P の濃化は Mn が濃化している領域でのみ認められる．Cu の濃化した領域はほとんどみられない．粒界では Ni, Si, P, Cu の濃化とFe, Cr, Mn の減少が明瞭に認められる．
図 ６ は Chooz A バ ッ フ ル で 確 認 で き た Ni-Si
クラスタのサイズを示す．クラスタのサイズは3-4 nm と 8-10 nm に ２ つ の 明 瞭 な ピ ー ク を も つ．
図３

CP0 ボルトの首部の粒界近傍の元素分布5nm で区切った場合の数密度は小さいクラスタが

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑8148

図４

Chooz A バッフルのミクロ組織の例，（a）g=200 の 2 波条件による転位組織の明視野像，（b）g=200 によるブラックドットの暗視野像，（c）g=200 近傍の <111> ストリークによるフランクループの暗視野像，（d）キャビティの明視野像，（e）γ ʼ 相の回折斑点を用いた暗視野像

図５

Chooz A バッフルの元素マップ（233 × 39 × 40 nm）ロットした図である．この図から明らかにように，大きいサイズのクラスタは小さいサイズのクラスタに比較して，Ni, Si, Mn の濃度が高く，特に Mn は顕著に高くなっている．平均組成（at%）は大きい
クラスタが 40Fe-10Cr-29Ni-17Si-3Mn，小さいクラス タ が 55Fe-14Cr-16Ni-13Si-0.7Mn で あ る． 大 き いクラスタではクラスタ以外の領域のバルク組成に対して Si と Ni がそれぞれ９倍と３倍の濃度となっており，小さいクラスタの場合のそれぞれ７倍と２倍よりも大きい．サイズと組成のデータから判断する
図６

Chooz A バッフルの Ni-Si クラスタのサイズ分布と，Chooz A バッフルには Ni-Si クラスタとより発達した Ni-Si-Mn クラスタの２種類のクラスタが形

5.1 × 1023

10233/m で あ り 大 きい ク ラ ス タ の 密 度 2.8 ×3/m のほぼ２倍である．図７は各クラスタ中の Ni, Si, Mn の濃度をクラスタのサイズに対してプ成されていると考えられる．

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑8

図７149

Chooz A バッフルの Ni-Si クラスタの組成とサイズの関係

4. 考察

りも照射温度がやや高く中性子束が低いことである．これらの違いはボイドの形成を促進する要因でフランスの PWR 炉内構造物の実機部材について,，FTT に比較してより大きく低密度のあり（12）（15）限られた条件ではあるがミクロ組織データが得られボイドが形成したものと考えられる．スエリング量た．INSS では国内 PWR の冷間加工 316 SS 製のフは 0.04% と小さく，構造健全性への影響は小さいとラックスシンブルチューブ（FTT）のミクロ組織考えられる．

,（13）,，そのデータや既存データを蓄積しており（3）（11）

Chooz A バッフルで TEM で観察された析出物はの知見と比較検討した．

γ' 相であり，同程度の照射量の FTT で観察される

TEM 観察は Chooz A バッフルのみで行っていγ' 相（〜 4 nm，〜５× 1021 /m3）とサイズ，密度とる．転位組織としてフランクループとブラックドッも類似している．この研究の範囲では γ' 相の析出にトの形成が観察された．ステンレス鋼ではこれらは材料や照射条件の違いは見られていない．のサイズや密度は数 dpa 以上でほとんど飽和するこ

APT 分析では，Chooz A バッフルと CP0 ボルトとがわかっている．FTT におけるこれらの飽和レで共通して 3-4 nm の小さい Ni-Si クラスタとやや大ベルは，フランクループが〜 10 nm，〜３× 1022 /きい Ni-Si クラスタが観察されている．バッフルで322m ，ブラックドットが〜 4 nm，〜３× 103/m では大きいクラスタの多くは Mn 濃度が高く Ni-Si-Mnあり，バッフル板のデータはほぼ同程度の値となっクラスタとして観察された．表２に本研究によるフている．照射量が 38dpa と高いこともあわせるとランスの実機部材の溶質クラスタの数値データをまバッフルでは転位組織はほぼ飽和しているものと考とめて示す．溶質クラスタは組成の違いがみられるえられる．

サイズ（直径 5nm）で区分した．APT 分析によるChooz A バッフルで観察されたキャビティは直22

実機部材の溶質クラスタのデータはいまだ少なく，3/m のボイドであり，FTT の３〜 74dpa の広い範囲の APT 分析データを

FTT で観察される直径が〜 1nm と微細で密度が定量的に比較することはミクロ組織の特徴を理解す

径〜 4nm で密度が〜１× 10〜３× 1023

3/m の高密度の He バブルとはかなり異る上で有益である．

（13）
（14）
,

．バッフル板と FTT の違いとし

図８には，APT 分析による溶質クラスタの平均ては，バッフル板は溶体化 304 SS であり，FTT よ

直径と密度を照射量に対してプロットして示す．

なっている

表２
試験片
首部
CP0 ボルト
頭部
Chooz A バッフル

APT 分析による溶質クラスタのサイズ、密度および組成データ
クラスタ平均組成 at%

クラスタ

平均直径nm

密度1022/m3FeCrMnNiSiMo< 5 nm

3.24454.5

12.6

1.018.3

12.21.0> 5 nm

7.51742.2

7.80.832.4

15.50.4< 5 nm3.25152.1

11.90.9

20.4

13.11.0> 5 nm

7.32542.9

9.4

0.9

29.7

15.70.6< 5 nm3.1

2255.2

14.20.7

16.1

13.00.1> 5 nm8.52840.1

9.6

3.028.9

17.00.1

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑8150

図８

APT 分析による溶質クラスタのサイズと密度の照射量による変化

図９

APT 分析による溶質クラスタの組成の照射量による変化

図９には同様に溶質クラスタを大小に分けてそれぞ大きいクラスタは FTT の組成とほとんど違わないれの組成（Ni, Si, Mn）を示す．Small cluster は直が，小さいクラスタでは Ni が低く Si がやや高くなっ

径が 5nm 以下，Large cluster は直径 5nm 以上のクている．Chooz A バッフルは 304SS であり，マトラスタ分類のデータある．まず FTT のデータの照リックスの Ni が 316 SS よりも小さいため，小さい射量による変化をみると，密度を除いて大小のクラクラスタではそれを反映してクラスタ中の Ni 濃度

スタの平均直径，組成は 3pa から 74dpa までほとんがやや低くなっていると考えられる．発達した大きど変化していないことがわかる．3dpa から 11dpa

いクラスタは Ni-Si-Mn クラスタであり，その組成までは小クラスタの密度は急速に増加し，それ以降が FTT のクラスタとほぼ同じであることは 304 SSは小クラスタが支配的となり密度は大きく変化してと 316 SS で共通した第２相ないしその前駆体が存いない．

在している可能性を示唆する．

CP0 ボルトのクラスタはサイズ，密度，組成の図 10 には APT 分析による Cr, Ni, Si の粒界偏析すべてが FTT のクラスタの傾向とほぼ一致してお量（図中の赤色）を TEM/EDS 分析による文献デーり，冷間加工 316 SS の共通した傾向の範囲内にあタ（図中の黒色）と比較して示した．なお FTT のることを示している．Chooz A バッフルのクラス

APT 分析データは 74dpa のみである．フランスの

タは，FTT のクラスタと若干異なる傾向が見られ実機部材の粒界偏析は全体の偏析傾向に一致している．FTT のクラスタに比べてサイズはほとんど変る．また，APT 分析のデータは文献の TEM/EDSわらないが全密度が小さい．大きいクラスタの密度分析のデータとほとんど同じ傾向上にあり，どちらはほとんど同じであるが小クラスタの密度が明らかでも同等な分析値が得られることも確認される．に小さくなっている．クラスタの組成については，

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑8

図 10151

照射ステンレス鋼の粒界偏析量の照射量依存性

5. まとめ・APT 分析により Ni-Si クラスタの形成が確認され，Chooz A バッフルではやや大きい Ni-Si-Mn

フランス EDF より提供された Chooz A の溶体化クラスタの形成が進んでいた．FTT のクラスタ

304 SS 製バッフル板（照射温度 328℃，照射量 38と比較すると，CP0 ボルトのクラスタのサイズ，dpa）と CP0 型 PWR の冷間加工 316SS 製バッフル

密度，組成はほぼ同じであったが，Chooz A バッ

ボルトの頭部（312℃，9 dpa）および首部（325℃，フルのクラスタでは材料等の違いによると思われ7 dpa）の試料について，TEM および APT によるる密度と組成の差が見られた．

ミクロ組織分析を行った．得られたデータについて

・APT 分 析 に よ り 粒 界 で の Ni, Si, P の 濃 化 と Cr,国内 PWR の冷間加工 316 SS 製の FTT のデータとMn, Mo の減少が検出され，偏析量は文献データ比較検討した．

による照射量依存性とほぼ一致していた．
・実機炉内構造物のミクロ組織に関する貴重なデー

・Chooz A バッフルの TEM 観察により，フランクループ，ブラックドット，キャビティ，γ' 相が確認された．フランクループ，ブラックドット，γ' 相は FTT のものとサイズと密度がほぼ同等であった．

タが得られるとともに，国内データとの比較検討により照射影響の知見の拡張ができた．

謝

辞・Chooz A バッフルで観察されたキャビティはボ

本研究は EDF と関西電力／原子力安全システムイドであり FTT の He バブルより大きく低密度で研究所の共同研究で実施したものである．成果の一ある．スエリング計算値は 0.04% と低く，構造健部はすでに下記の国際会議論文として報告したもの

全性への影響は小さいと考えられる．

である．

INSS JOURNAL Vol . 26 2019 NT‑8152

K.Fukuya, K.Fujii, F. Sefta, B. Allouch, C. Pokor,Clusters, Proc. Fontevraud 8 - Contribution“Atom Probe Tomography and Transmissionof Materials Investigations and Operating

Electron Microscopy Analyses for French CP0Experience to LWRs' Safety, Performance

Baffle Bolt and CHOOZ A Corner,” Fontevraudand Reliability, Avignon, 2014.

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