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Journal of Nuclear Materials誌に掲載された先行研究では、均一に分布したナノサイズのNbC析出物を有する作製直後のオーステナイト系ステンレス鋼（ARES-6）と従来の316ステンレス鋼を重イオン照射下で調べた。ARES-6の利点を比較するために、膨潤後の挙動を調べた。
研究：重イオン照射下における、均一に分布したナノスケールNbC析出物を有するオーステナイト系ステンレス鋼の膨潤抵抗。画像提供：Parilov/Shutterstock.com
オーステナイト系ステンレス鋼（SS）は、現代の軽水炉において、高放射線量にさらされる内部部品として一般的に使用されている。
オーステナイト系ステンレス鋼が中性子捕獲によって形態変化を起こすと、放射線硬化や熱分解といった物理的特性に悪影響を及ぼす。変形サイクル、気孔率、励起などは、オーステナイト系ステンレス鋼によく見られる放射線誘起微細構造変化の例である。
さらに、オーステナイト系ステンレス鋼は放射線誘起真空膨張の影響を受けやすく、原子炉炉心部品の致命的な破壊につながる可能性がある。したがって、長寿命化と高生産性を実現する現代の原子炉の革新には、より多くの放射線に耐えられる複雑な構造物の使用が不可欠である。
1970年代初頭から、放射性物質の開発には多くの方法が提案されてきた。放射線効率の向上を目指す取り組みの一環として、真空膨張弾性の主要な側面が研究されてきた。しかしながら、高ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼はヘリウム液滴の変形による放射線脆化に非常に弱いため、低オーステナイト系ステンレス鋼では腐食条件下での十分な耐食性を保証できない。また、合金組成の調整によって放射線効率を向上させることにも限界がある。
別のアプローチとしては、点状破壊の排水点として機能する様々な微細構造的特徴を取り入れることが挙げられる。シンクは放射線誘起による固有欠陥の吸収に寄与し、空孔やギャップの集合によって生じる穴や変位円の形成を遅らせることができる。
多数の転位、微細な析出物、粒状構造が、放射線吸収効率を向上させる吸収体として提案されてきた。動的速度の概念設計といくつかの観測研究により、これらの微細構造の特徴がボイドの膨張を抑制し、放射線誘起による部品分離を低減する上で有効であることが明らかになった。しかし、ギャップは放射線の影響下で徐々に修復されるため、排水点としての機能を完全に果たすことはできない。
研究者らは最近、工業用製鋼プロセスを用いて、マトリックス中に均一に分散したナノニオブ炭化物析出物を同程度の割合で含むオーステナイト系ステンレス鋼を製造することに成功した。このプロセスは後にARES-6と名付けられた。
ほとんどの析出物は、放射線固有の欠陥に対する十分な吸収サイトを提供し、それによってARES-6合金の放射線効率を高めることが期待される。しかし、ニオブ炭化物の微細な析出物の存在は、フレームワークに基づく放射線耐性の期待される特性をもたらさない。
したがって、本研究の目的は、小型ニオブ炭化物が膨張抵抗に及ぼす正の効果を検証することであった。また、重イオン照射時のナノスケール病原体の寿命に関連する線量率効果についても調査した。
ギャップの増加を調査するため、均一に分散したニオブナノ炭化物を含む新開発のARES-6合金を用いて工業用鋼を励起し、5 MeVのニッケルイオンを照射した。以下の結論は、膨張測定、ナノメートル電子顕微鏡による微細構造解析、および落下強度計算に基づいている。
ARES-6Pの微細構造特性の中で、膨潤時の弾性増加の最も重要な理由は、高濃度の炭化ニオブ析出物であるが、高濃度のニッケルも一因となっている。変位頻度が高いことを考慮すると、ARES-6HRはARES-6SAと同程度の膨張を示しており、タンク構造の強度が増加したにもかかわらず、ARES-6HRの変位だけでは効果的な排水箇所を提供できないことが示唆される。
重イオン照射後、炭化ニオブ析出物のナノスケール準結晶構造は破壊される。その結果、本研究で使用した重イオン照射装置を用いると、非照射試料中に元々存在していた病原体の大半はマトリックス中で徐々に消失した。
ARES-6Pの排水能力は316ステンレス鋼板の3倍と予想されるが、測定された膨張率の増加は約7倍である。
光照射によるニオブナノ炭化物の析出物の溶解が、ARES-6Pの予想膨張抵抗と実際の膨張抵抗の大きな乖離の原因である。しかしながら、低線量率ではナノニオブ炭化物結晶の耐久性が向上すると予想され、将来的には通常の原子力発電所条件下でARES-6Pの膨張弾性が大幅に改善されると考えられる。
Shin, JH、Kong, BS、Jeong, C.、Eom, HJ、Jang, C.、AlMousa, N. (2022). Shin, JH、Kong, BS、Jeong, C.、Eom, HJ、Jang, C.、AlMousa, N. (2022). Shin, JH、Kong, BS、Chon, K.、Eom, HJ、Jang, K.、およびAl-Musa, N. (2022)。 Shin, JH、Kong, BS、Jeong, C.、Eom, HJ、Jang, C.、およびAlMousa, N. (2022)。 Shin, JH、Kong, BS、Jeong, C.、Eom, HJ、Jang, C.、およびAlMousa, N. (2022)。 Shin, JH、Kong, BS、Chon, K.、Eom, HJ、Jang, K.、およびAl-Musa, N. (2022)。重イオン照射下における均一に分布したナノサイズのNbC析出物を有するオーステナイト系ステンレス鋼の膨潤抵抗。Journal of Nuclear Materials。入手先: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311522001714?via%3Dihub。
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シャール、汗だく。「新規ナノ改質反応器合金の膨潤抵抗解析」。AZonano。2022年9月11日2022年9月11日
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Hot sweat, Shahr. 2022. 新規反応器ナノ修飾合金の膨潤抵抗分析。AZoNano、2022年9月11日アクセス、https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38861。
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