JP2018159700A - ミニチュア破壊靭性試験片、及びミニチュア破壊靭性試験片の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】破壊靭性試験時に生じる延性亀裂成長を抑制し、有効な破壊靭性データを取得できるミニチュア破壊靭性試験片、及びミニチュア破壊靭性試験片の製造方法を提供する。【解決手段】原子炉圧力容器内に設置された監視試験カプセルに収容されて原子炉圧力容器の監視試験に用いられるシャルピー衝撃試験片を利用し、監視試験後のシャルピー衝撃試験片の残材から採取されたミニチュアＣＴ試験片１５０であって、日本電気協会規程により規定されたミニチュア破壊靭性試験片の外形寸法に関する規格値よりも厚みＲを大きく形成したことを特徴とする。【選択図】図７

Description

本発明は、原子炉圧力容器の監視試験に用いられる試験片を再利用して製造されるミニチュア破壊靭性試験片、及び、ミニチュア破壊靭性試験片の製造方法に関する。

原子炉圧力容器に用いられる低合金鋼は、供用期間中における中性子の照射により脆化する。原子炉圧力容器の内部には原子炉圧力容器と同じ鋼材（すなわち低合金鋼）の試験片（監視試験片）が収容された監視試験カプセルが設置される。監視試験カプセルは、プラントの新設時に原子炉圧力容器の内部に設置され、原子炉圧力容器から計画的に取り出される。原子炉圧力容器から取り出された試験片について材料試験が実施されることにより、中性子の照射による脆化の程度を確認し、原子炉圧力容器の健全性が評価される。

監視試験カプセルには、試験片として、破壊靭性試験片、引張試験片、及びシャルピー衝撃試験片等が収容される。原子炉圧力容器の内部に設置可能な監視試験カプセルの量には制限がある。そのため、原子炉圧力容器から取り出された試験片を効率的に使用する必要がある。

原子炉圧力容器鋼の破壊靭性の評価において、温度と破壊靭性との関係を示すマスターカーブを作成し、そのマスターカーブから破壊靭性を評価する手法が知られている。マスターカーブに基づく破壊靭性の評価精度を向上させるためには、多数の破壊靭性試験片を使用して、破壊靭性データを拡充させることが望ましい。しかし、プラントによっては、監視試験カプセルに収容されている破壊靭性試験片の数が少ない場合がある。特許文献１には、試験片から破壊靭性データを直接取得する試験方法が開示されている。

特開２０１４−１９７０３５号公報

ところで、シャルピー衝撃試験片は監視試験カプセルに比較的多く含まれている。このため、近年、シャルピー衝撃試験終了後の試験片の残材から微小な破壊靭性試験片（ミニチュア破壊靭性試験片；以降ミニチュアＣＴ試験片とも称する）を製造して、試験片を有効活用する手法が提案されている。ミニチュアＣＴ試験片は、シャルピー衝撃試験片の残材から可能な限り多数採取されることを考慮し、日本電気協会規程（JEAC4216-2015）において、該ミニチュアＣＴ試験片の大きさが規定されている。

一方、現在規定されているミニチュアＣＴ試験片は、通常の破壊靭性試験片と比較して外形寸法が全体的に小さくなっているので、結果的に板厚も薄く形成されている。このため、中性子照射により上部棚吸収エネルギー(USE: Upper Shelf Energy)が減少し、延性亀裂成長抵抗が低下したミニチュアＣＴ試験片では、破壊靭性試験時に基準を上回る延性亀裂成長が生じる場合があり、有効な破壊靭性データが取得できないという問題が生じ得る。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、破壊靭性試験時に生じる延性亀裂成長を抑制し、有効な破壊靭性データを取得できるミニチュア破壊靭性試験片、及び、ミニチュア破壊靭性試験片の製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、原子炉圧力容器内に設置された監視試験カプセルに収容されて原子炉圧力容器の評価試験に用いられる試験片を利用し、評価試験後の試験片の残材から採取されたミニチュア破壊靭性試験片であって、日本電気協会規程により規定されたミニチュア破壊靭性試験片の外形寸法に関する規格値よりも板厚を大きく形成したことを特徴とする。

また、板厚は、規格値の２倍の値であってもよい。また、規格値で定められた板厚は４ｍｍである。また、試験片は、シャルピー衝撃試験片であることが好ましい。

また、本発明は、温度と破壊靭性との関係を示すマスターカーブに基づいて対象素材の破壊靭性の評価に用いられ、対象素材から採取されたミニチュア破壊靭性試験片であって、日本電気協会規程により規定されたミニチュア破壊靭性試験片の外形寸法に関する規格値よりも板厚を大きく形成したことを特徴とする。

また、本発明は、原子炉圧力容器内に設置された監視試験カプセルに収容されて原子炉圧力容器の監視試験に用いられる試験片を利用し、監視試験後の試験片の残材から微小な破壊靭性試験片を製造するミニチュア破壊靭性試験片の製造方法であって、試験片の材料特性に基づき、ミニチュア破壊靭性試験片の板厚を、日本電気協会規程により規定された第１の値とするか、第１の値よりも大きな値に設定された第２の値とするかを判定する判定工程を備えたことを特徴とする。

この構成において、試験片の材料特性に基づき、該試験片の負荷レベルに関する第１基準値と、延性亀裂成長に関する第２基準値とをそれぞれ算出する工程を備え、判定工程は、第１基準値と第２基準値とを比較し、第１基準値が第２基準値よりも大きい場合は、破壊靭性試験片の板厚を第２の値とし、第１基準値が第２基準値以下の場合は、破壊靭性試験片の板厚を第１の値としてもよい。

また、本発明は、温度と破壊靭性との関係を示すマスターカーブに基づいて、対象素材の破壊靭性の評価に用いられる微小な破壊靭性試験片を対象素材から製造するミニチュア破壊靭性試験片の製造方法であって、対象素材の材料特性に基づき、破壊靭性試験片の板厚を、日本電気協会規程により規定された第１の値とするか、第１の値よりも大きな値に設定された第２の値とするかを判定する判定工程を備えたことを特徴とする。

この構成において、対象素材の材料特性に基づき、該対象素材の負荷レベルに関する第１基準値と、延性亀裂成長に関する第２基準値とをそれぞれ算出する工程を備え、判定工程は、第１基準値と第２基準値とを比較し、第１基準値が第２基準値よりも大きい場合は、破壊靭性試験片の板厚を第２の値とし、第１基準値が第２基準値以下の場合は、破壊靭性試験片の板厚を第１の値としてもよい。

また、第２基準値の算出に用いられるＪ値に関し、ミニチュア破壊靭性試験片におけるＪ値と、このミニチュア破壊靭性試験片よりも外形寸法の大きな標準破壊靭性試験片におけるＪ値との相関関係を事前に取得しておき、この相関関係に基づき、標準破壊靭性試験片におけるＪ値からミニチュア破壊靭性試験片におけるＪ値に換算し、換算されたミニチュア破壊靭性試験片におけるＪ値を用いて第２基準値を算出してもよい。

本発明によれば、現在規定されている規格値よりもミニチュア破壊靭性試験片の板厚を大きく形成したことにより、破壊靭性試験時に、ミニチュア破壊靭性試験片に生じる延性亀裂成長を抑制し、有効な破壊靭性データを取得することができる。

図１は、本実施形態に係る監視試験カプセルが配置された原子炉圧力容器の一例を示す縦断面図である。 図２は、監視試験カプセルの一例を模式的に示す図である。 図３は、監視試験カプセルの一部を示す図である。 図４は、ミニチュアＣＴ試験片を採取するシャルピー衝撃試験片の残材を模式的に示す図である。 図５は、現行のミニチュアＣＴ試験片の一例を示す斜視図である。 図６は、原子炉圧力容器の破壊靭性の評価において使用されるマスターカーブの一例を示す図である。 図７は、本実施形態に係る新たなミニチュアＣＴ試験片の一例を示す斜視図である。 図８は、シャルピー衝撃試験片の残材から新たなミニチュアＣＴ試験片を採取する状態を模式的に示す図である。 図９は、ミニチュアＣＴ試験片の厚みを変化させた際の延性亀裂成長限界の変化を示すグラフである。 図１０は、ミニチュア破壊靭性試験片の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１１は、判定工程の手順の一例を示すフローチャートである。 図１２は、標準ＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）とミニチュアＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）との相関関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

図１は、本実施形態に係る監視試験カプセルが配置された原子炉圧力容器の一例を示す縦断面図である。原子炉圧力容器３００は、例えば、加圧水型原子炉（PWR：Pressurized Water Reactor）を有する原子力発電プラントに設けられる。図１に示すように、原子炉圧力容器３００は、燃料集合体３０１を格納する。原子炉圧力容器３００は、低合金鋼によって形成されている。原子炉圧力容器３００は、原子炉圧力容器本体３００Ａと、原子炉圧力容器蓋３００Ｂとを含む。原子炉圧力容器蓋３００Ｂが外されることにより、原子炉圧力容器本体３００Ａの内部に燃料集合体３０１を含む炉内構造物が挿入可能である。また、原子炉圧力容器３００には、制御棒を駆動する制御棒駆動装置３０５が設けられる。

原子炉圧力容器本体３００Ａの内部に炉心槽３０２が配置される。炉心槽３０２に、複数の燃料集合体３０１を含む炉心３０４が配置される。炉心槽３０２は、円筒状であり、原子炉圧力容器本体３００Ａの内壁面との間に間隙が形成されるように配置される。

炉心槽３０２と原子炉圧力容器本体３００Ａとの間には、監視試験カプセル１を収容する収納容器３０３が配置される。収納容器３０３は、炉心槽３０２の周囲に間隔をあけて複数設けられる。収納容器３０３に収容される監視試験カプセル１は、炉心３０４よりも径方向外側に配置されると共に、原子炉圧力容器本体３００Ａよりも径方向内側に配置されることとなる。

次に、監視試験カプセル１について説明する。図２は、監視試験カプセルの一例を模式的に示す図であり、図３は、監視試験カプセルの一部を示す図であって、図２のＡ部分に相当する。この監視試験カプセル１は、内部に監視試験片（試験片）２を収容している。この監視試験片２は、原子炉圧力容器３００と同じ鋼材（すなわち低合金鋼）で形成されており、原子炉圧力容器３００の健全性（中性子照射による脆化の程度）を評価するための各種材料試験に用いられる。ここで、監視試験カプセル１は、原子炉圧力容器本体３００Ａよりも径方向内側に位置していることから、監視試験片２に炉心３０４から照射される中性子の照射量は、原子炉圧力容器本体３００Ａよりも大きくなる。このため、監視試験片２を用いて監視試験を行うことにより、原子炉圧力容器３００の中性子照射脆化の程度の評価に関して先行監視を行うことが可能となっている。

監視試験カプセル１は、図２に示すように、保持部材３と、ステー部材４と、カプセル容器５と、先端部材６とを有する。保持部材３は、監視試験カプセル１の取り扱いにおいてマニピュレータ（不図示）により保持される部材である。ステー部材４は、監視試験カプセル１の長さを調整する部材である。カプセル容器５は、監視試験カプセル１の長手方向に複数配置される。カプセル容器５の内部に複数の監視試験片２が収容される。先端部材６は、収納容器３０３に対する監視試験カプセル１の挿入をガイドする。

図３に示すように、監視試験カプセル１には、監視試験を行うための監視試験片２として、破壊靭性試験片（標準破壊靭性試験片；以下、標準ＣＴ試験片とも称する）７、引張試験片８、及びシャルピー衝撃試験片９が収容されている。本実施形態では、監視試験カプセル１から取り出された破壊靭性試験片７、引張試験片８、及びシャルピー衝撃試験片９の各種の監視試験片２を用いて、破壊靭性試験、引張試験、及びシャルピー衝撃試験がそれぞれ実施される。なお、監視試験カプセル１に収容される監視試験片２は、破壊靭性試験片７、引張試験片８、及びシャルピー衝撃試験片９に限定されるものではない。

原子炉圧力容器３００に用いられる低合金鋼の破壊靭性を評価する場合において、従来、温度と破壊靭性との関係を示すマスターカーブを作成し、そのマスターカーブから破壊靭性を評価することが行われている。この場合、マスターカーブに基づく破壊靭性の評価精度を向上させるためには、多数の破壊靭性試験片７を使用して、破壊靭性データを拡充させることが望ましい。

しかしながら、原子力発電プラントによっては、監視試験カプセル１に収容されている破壊靭性試験片７の数が少ない場合があり、十分な破壊靭性データを取得することができない問題があった。このため、監視試験カプセル１に比較的多く含まれている監視試験片２（例えば、シャルピー衝撃試験片９）を利用し、試験終了後のシャルピー衝撃試験片９の残材からミニチュアＣＴ試験片（ミニチュア破壊靭性試験片）を製造することが行われている。

図４は、ミニチュアＣＴ試験片を採取するシャルピー衝撃試験片の残材を模式的に示す図である。図５は、現行のミニチュアＣＴ試験片の一例を示す斜視図である。シャルピー衝撃試験片９は、図４に示すように、実質的に直方体状の部材であり、長手方向の中央部に略Ｖ字状に形成されたノッチ部９Ｎを有する。このシャルピー衝撃試験片９に対してシャルピー衝撃試験が実施されることにより、ノッチ部９Ｎを境界として、シャルピー衝撃試験片９は、破断面９Ｓを有する２つの残材９Ｄ，９Ｄに分割される。

ミニチュアＣＴ試験片５０は、シャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄ（供試材Ｓ）から製作（製造）される。以下の説明では、残材９Ｄを適宜、供試材Ｓと称する。シャルピー衝撃試験により、残材９Ｄのうち破断面９Ｓの近傍の一部分は塑性変形している。残材９Ｄのうち塑性変形した部分からミニチュアＣＴ試験片５０を採取すると、そのミニチュアＣＴ試験片５０を使った破壊靭性の評価精度が低下する可能性がある。このため、ミニチュアＣＴ試験片５０は、残材９Ｄのうち塑性変形している可能性が低い部分から製作される。シャルピー衝撃試験片９の外形寸法は規格にて規定されており、シャルピー衝撃試験片９の短手方向の幅Ｄ及び高さＦは、それぞれ約１０［ｍｍ］に形成され、破断する前のシャルピー衝撃試験片９の長手方向の長さ（不図示）は約５５［ｍｍ］となっている。また、残材９Ｄのうち塑性変形している可能性が低く使用可能な部分の長手方向の長さＧは、約２４［ｍｍ］である。

本実施形態では、図４に示すように、供試材Ｓ（残材９Ｄ）からミニチュアＣＴ試験片５０が４つ製作される。具体的には、供試材Ｓ（残材９Ｄ）における短手方向に２つのミニチュアＣＴ試験片５０が製作され、長手方向に２つのミニチュアＣＴ試験片５０が製作される。この供試材Ｓは、例えば、ホットセルの内部でワイヤ放電加工が施されて４つのミニチュアＣＴ試験片５０が製作される。

ミニチュアＣＴ試験片５０は、図５に示すように、実質的に直方体の部材であり、直方体の側面５０ａに形成された凹部５１と、この凹部５１に繋がるように形成される溝部５２と、この溝部５２を挟んで形成される一対の孔部５３，５３とを備える。また、凹部５１とは反対側の溝部５２の終端には、予亀裂５４が連なって形成されている。これら溝部５２、孔部５３、及び予亀裂５４は、いずれもミニチュアＣＴ試験片５０の厚み方向に貫通して形成されている。ミニチュアＣＴ試験片５０の外形寸法は、本特許出願の出願時に適用されている日本電気協会規程（JEAC4216-2015）により規格化されている。この規程では、ミニチュアＣＴ試験片５０の幅Ｐ（シャルピー衝撃試験片９の高さＦに相当）は約１０［ｍｍ］であり、高さＨは約１０［ｍｍ］であり、厚みＱは約４［ｍｍ］である。ミニチュアＣＴ試験片５０は、標準ＣＴ試験片（破壊靭性試験片）７よりも外形寸法が小さく形成されたものであり、特に、ミニチュアＣＴ試験片５０の厚みＱは標準ＣＴ試験片７の厚み（例えば、約２５．４［ｍｍ］：１インチ）の約１／６となっている。ミニチュアＣＴ試験片５０の外形寸法は、上記したように、シャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄから製作されることを考慮して決定されている。

また、このミニチュアＣＴ試験片５０では、凹部５１と反対側に位置する直方体の側面５０ｂと孔部５３の中心５３ａとの距離Ｗが約８［ｍｍ］とされ、孔部５３の中心５３ａと予亀裂５４の終端までの初期亀裂長さａ_０は約４［ｍｍ］となっている。従って、ミニチュアＣＴ試験片５０におけるリガメント長さｂ_０（Ｗ−ａ_０に相当）も約４［ｍｍ］となる。

このように製作された複数のミニチュアＣＴ試験片５０を用いて、破壊靭性試験が実施される。その破壊靭性試験の複数の結果を使って、原子炉圧力容器３００に用いられる低合金鋼の破壊靭性の評価が実施される。図６は、原子炉圧力容器３００に用いられる低合金鋼の破壊靭性の評価において使用されるマスターカーブの一例を示す図である。図６に示すように、マスターカーブは、温度と破壊靭性との関係を示す。複数のミニチュアＣＴ試験片５０のそれぞれを使って実施された破壊靭性試験の試験結果から、マスターカーブが作成される。マスターカーブに基づく破壊靭性の評価精度を向上させるためには、多数の破壊靭性試験片を入手して、破壊靭性データを拡充させることが好ましい。本実施形態によれば、供試材Ｓである残材９Ｄから４つのミニチュアＣＴ試験片５０を製作可能であるため、数又は量が限定されている残材９Ｄから、破壊靭性試験に使用されるミニチュアＣＴ試験片５０を多数製作することができ、破壊靭性データを拡充することが可能となる。

ところで、破壊靭性試験に関して、日本電気協会規程（JEAC4216-2015）では、破壊に先行して生じた延性亀裂成長の長さが、０．０５（Ｗ−ａ_０)［ｍｍ］或いは１［ｍｍ］のいずれか小さい方の制限値を超えた場合には、得られた破壊靭性データは無効とすると規定されている。すなわち、上記したミニチュアＣＴ試験片５０では、リガメント長さｂ_０（Ｗ−ａ_０に相当）が約４［ｍｍ］であるため、板厚内で０．２［ｍｍ］を超える延性亀裂成長が認められた場合は、破壊靭性データが無効となる。

一般に、監視試験片２（ミニチュアＣＴ試験片５０）に用いられる低合金鋼は、中性子照射により上部棚吸収エネルギー(USE)が低下する傾向にあり、延性亀裂成長が生じやすくなる。このため、上部棚吸収エネルギーが低下したミニチュアＣＴ試験片５０を、破壊靭性試験に用いると、延性亀裂成長が規定値を超える場合もあり、有効な破壊靭性データを確実に取得することが難しい。ミニチュアＣＴ試験片５０は、そもそも監視試験カプセル１に収容される破壊靭性試験片７の数が少ない問題を解決するために、監視試験カプセル１に比較的多く含まれているシャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄから製作されるものである。このため、製作されたミニチュアＣＴ試験片５０を用いて有効な破壊靭性データを取得することが望まれる。

発明者が鋭意研究した結果、延性亀裂成長の大きさは、試験片の板厚（厚み）と関連することが判明した。具体的には、ミニチュアＣＴ試験片５０の板厚が小さいほど、板厚中央部の狭い範囲(拘束が大きい部分)で、延性亀裂成長が生じやすくなり、延性亀裂成長量の最大値が大きくなる傾向にある。特に、ミニチュアＣＴ試験片５０は、通常の破壊靭性試験片７と比べて板厚が小さいため、上部棚吸収エネルギー(USE)が低下した材料から製作されたミニチュアＣＴ試験片５０では、板厚中央部において延性亀裂成長が生じやすい傾向にある。このため、マスターカーブの有効な温度範囲(T₀-50℃≦T≦T₀+50℃，T₀はマスターカーブ参照温度，Tは試験温度)で有効な破壊靭性データが得られないという問題が生じる。

発明者は、有効な破壊靭性データを確実に取得するために、現在の規格（日本電気協会規程（JEAC4216-2015））で定められた外形寸法の板厚（厚み）よりも厚いミニチュアＣＴ試験片１５０を製作した。図７は、本実施形態に係る新たなミニチュアＣＴ試験片の一例を示す斜視図である。図８は、シャルピー衝撃試験片の残材から新たなミニチュアＣＴ試験片を採取する状態を模式的に示す図である。

新たなミニチュアＣＴ試験片１５０は、図７に示すように、外形寸法の厚みＲが上記したミニチュアＣＴ試験片５０（図５）よりも厚く形成されている。本実施形態では、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲは、ミニチュアＣＴ試験片５０の厚みＱの２倍（２Ｑ）であり約８［ｍｍ］となっている。また、ミニチュアＣＴ試験片１５０は、厚みＲ以外の外形寸法がミニチュアＣＴ試験片５０と同等に形成されている。ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲのみを、現行のミニチュアＣＴ試験片５０の厚みＱよりも大きくすることにより、ミニチュアＣＴ試験片１５０の板厚内で延性亀裂成長が生じやすい領域を厚み方向に広げることができる。これにより、ミニチュアＣＴ試験片１５０の板厚内で生じる延性亀裂成長量の均一化を図ることができ、延性亀裂成長の最大値が規定された制限値を超えることを抑制することができる。

また、ミニチュアＣＴ試験片１５０は、ミニチュアＣＴ試験片５０と同様に、直方体の側面５０ａに形成された凹部５１と、この凹部５１に繋がるように形成される溝部５２と、この溝部５２を挟んで形成される一対の孔部５３，５３とを備える。また、凹部５１とは反対側の溝部５２の終端には、予亀裂５４が連なって形成されている。これらの形状や寸法に関しては、ミニチュアＣＴ試験片５０と同様であるため、ミニチュアＣＴ試験片５０と同一の符号を付して説明を省略する。

また、ミニチュアＣＴ試験片１５０は、孔部５３，５３の間の溝部５２に沿って形成されるサイドグルーブ５５，５５を備える。このサイドグルーブ５５は、凹部５１から直方体の反対側の側面５０ｂまで延びている。一般的に、予亀裂５４は試験片板厚中央付近で伸びやすく、表面付近で伸びにくい傾向があるため、予亀裂５４の先端は湾曲した形状となる。現行のミニチュアＣＴ試験片５０よりも板厚が厚いミニチュアＣＴ試験片１５０では、この傾向が顕著となり、板厚中央部と表面付近での予亀裂長さの差が大きくなるため、規格に規定された予亀裂長さの均一性に関する制限条件を満足しなくなる可能性がある。サイドグルーブ５５は、予亀裂５４が伸びにくい表面付近を機械加工等により除去することで、予亀裂長さの板厚内における差を小さくし、予亀裂５４の先端形状の直線性を確保する効果がある。

ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲは、少なくともミニチュアＣＴ試験片５０の厚みＱよりも大きく形成すればよいが、この厚みＱの２倍に形成することが好ましい。上記した供試材Ｓ（残材９Ｄ）からミニチュアＣＴ試験片１５０を採取する場合、厚みＲが５ｍｍを超えてしまうと、供試材Ｓの短手方向に１つしか採取できないため、残りの供試材Ｓが無駄になってしまう。これに対して、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲを、ミニチュアＣＴ試験片５０の厚みＱの２倍に形成する構成によれば、延性亀裂成長の抑制を実現できると共に、図８に示すように、供試材Ｓの短手方向に生じる材料の無駄を抑えて１つの供試材Ｓ（残材９Ｄ）から長手方向に２つのミニチュアＣＴ試験片１５０を効率的に製作することができる。なお、シャルピー衝撃試験片９の残材９ＤからミニチュアＣＴ試験片１５０を採取する場合、採取する利便性を考慮し、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲの最大値は、１０［ｍｍ］以下とすることが好ましい。

また、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲが増加するほど、孔部５３，５３に挿入されて、該ミニチュアＣＴ試験片１５０に荷重を負荷するためのピン（不図示）に作用する曲げ応力が大きくなる。このため、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲを決定する際には、ピンの耐荷重を考慮することが望ましい。

図９は、ミニチュアＣＴ試験片の厚みを変化させた際の延性亀裂成長限界の変化を示すグラフである。この図９において、符号Ｌ１は、現行のミニチュアＣＴ試験片５０の延性亀裂成長限界を示し、符号Ｌ２は、新しいミニチュアＣＴ試験片１５０の延性亀裂成長限界を示す。上述のように、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲのみを、現行のミニチュアＣＴ試験片５０の厚みＱよりも大きくすることにより、ミニチュアＣＴ試験片１５０の板厚内で延性亀裂成長が生じやすい領域を厚み方向に広げることができる。これにより、ミニチュアＣＴ試験片１５０の板厚内で生じる延性亀裂成長量の均一化を図ることができ、延性亀裂成長量の最大値が規定された制限値を超えることを抑制することができる。従って、図９に示すように、ミニチュアＣＴ試験片の延性亀裂成長限界をＬ１からＬ２に上昇させることができる。このため、マスターカーブの有効な温度範囲(T₀-50℃≦T≦T₀+50℃)において、有効な破壊靭性データを得ることができ、破壊靭性データを拡充することが可能となる。

このように、本実施形態によれば、現行の規格値よりもミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲを大きく形成したことにより、破壊靭性試験時に、ミニチュアＣＴ試験片１５０に生じる延性亀裂成長を抑制し、有効な破壊靭性データを取得することができる。また、本実施形態によれば、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲを約８［ｍｍ］としたため、シャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄの短手方向に生じる材料の無駄を抑えて、１つの残材９Ｄから長手方向に２つのミニチュアＣＴ試験片１５０を効率的に製作することができる。

さて、上述のように、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲを現行の規格値よりも大きく形成したことにより、延性亀裂成長の最大値が規定された制限値を超えることを抑制している。その反面、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲを大きくすることにより、シャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄから採取できるミニチュアＣＴ試験片１５０の数は少なくなる。このため、残材９Ｄの有効活用の点からは、現行のミニチュアＣＴ試験片５０よりも不利となる。

一方、延性亀裂成長の問題が生じない場合には、極力、現行のミニチュアＣＴ試験片５０を用いて、残材９Ｄを有効活用することが好ましい。発明者は、ミニチュアＣＴ試験片１５０の厚みＲを一律に厚くするのではなく、シャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄの材料特性から、現行のミニチュアＣＴ試験片５０と新たなミニチュアＣＴ試験片１５０のいずれを製作するかを判定する手法を確立した。

次に、ミニチュア破壊靭性試験片の製造方法について説明する。本実施形態では、シャルピー衝撃試験片９の残材９ＤからミニチュアＣＴ試験片を製造する方法について説明する。図１０は、ミニチュア破壊靭性試験片の製造方法の一例を示すフローチャートであり、図１１は、判定工程の手順の一例を示すフローチャートである。

まず、原子炉圧力容器３００から監視試験カプセル１を取り出し（ステップＳ１）、監視試験カプセル１からシャルピー衝撃試験片９を取り出して試験を行う（ステップＳ２）。そして、シャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄ（供試材Ｓ）の材料特性に基づいて製作するミニチュアＣＴ試験片の厚みを判定する（ステップＳ３；判定工程）。そして、供試材Ｓをワイヤ放電加工して、判定された厚みを有するミニチュアＣＴ試験片を製作する（ステップＳ４）。

判定工程においては、まず残材９Ｄの材料特性として、残材９Ｄのヤング率Ｅ、ポアソン比ν、降伏強さσ_ＹＳ、上部棚吸収エネルギーＵＳＥを計測する（ステップＳａ１）。これらの各値は、既存の様々な計測方法を用いて計測することができる。

次に、ミニチュアＣＴ試験片のリガメント長さｂ_０、延性亀裂成長量の制限値Δａを設定する（ステップＳａ２）。本実施形態では、ミニチュアＣＴ試験片のリガメント長さｂ_０は４［ｍｍ］、延性亀裂成長量の制限値Δａは０．２［ｍｍ］に設定される。

次に、計測した残材９Ｄの各種材料特性、及び、ミニチュアＣＴ試験片のリガメント長さｂ_０に基づいて、ミニチュアＣＴ試験片の負荷レベルに関する基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}（第１基準値）を算出する（ステップＳａ３）。この基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}は、以下の数式１によって算出される。

また、計測した残材９Ｄの各種材料特性、及び、延性亀裂成長量の制限値Δａに基づいて、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）を算出する（ステップＳａ４）。この基準値Ｋ_Ｊｍａｔは、以下の数式２によって算出される。

次に、算出された基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}と基準値Ｋ_Ｊｍａｔとの大きさを比較し、基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}が基準値Ｋ_Ｊｍａｔよりも大きいか否かを判別する（ステップＳａ５）。この判定において、基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}が基準値Ｋ_Ｊｍａｔよりも大きい場合（ステップＳａ５；Ｙｅｓ）には、ミニチュアＣＴ試験片の変形よりも延性亀裂成長が生じやすく、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔが支配的となる可能性がある。このため、現在、日本電気協会規程で規定された厚みＱ（４ｍｍ；第１の値）よりも大きな厚みＲ（８ｍｍ；第２の値）を有するミニチュアＣＴ試験片１５０を製作するべきと判定する（ステップＳａ６）。

一方、基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}が基準値Ｋ_Ｊｍａｔ以下の場合（ステップＳａ５；Ｎｏ）には、延性亀裂成長が生じにくいため、現行の厚みＱ（４ｍｍ；第１の値）を有するミニチュアＣＴ試験片５０を製作するべきと判定する（ステップＳａ７）。

このように、本実施形態によれば、算出された基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}と基準値Ｋ_Ｊｍａｔとの大きさを比較することにより、現行のミニチュアＣＴ試験片５０と新たなミニチュアＣＴ試験片１５０のいずれを製作するかを容易かつ正確に判定することができるため、残材９Ｄの有効活用を図り、破壊靭性データの拡充を実現することができる。

本実施形態では、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔは、一例として、日本電気協会規程（JEAC4216-2016）に記載された算出方法を用いた例を示しているが、材料特性からＪ値（Ｊ_ｍａｔ）と延性亀裂成長量の制限値Δａとの関係が推定可能な方法であれば、他の確立された方法を用いることもできる。

例えば、Ｊ値（Ｊ_ｍａｔ）を算出する方法として、数式３に示すMatsuzawaらのＪ−Ｒ曲線予測式、数式４に示すWallinらのＪ−Ｒ曲線予測式、数式５に示すNUREG/CR-5729のＪ−Ｒ曲線予測式を用いることもできる。これら数式３〜５で算出されたＪ値（Ｊ_ｍａｔ）を用いて、数式２に示す延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔを求めても良い。

次に、別の実施形態について説明する。上記した実施形態では、ミニチュアＣＴ試験片の負荷レベルに関する基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}（第１基準値）と、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）とを比較することにより、残材９Ｄから現行のミニチュアＣＴ試験片５０と新たなミニチュアＣＴ試験片１５０とのいずれを製作するかを判定している。この判定により、製作したミニチュアＣＴ試験片５０，１５０に対する破壊靭性試験時に、規定の制限値Δａを上回る延性亀裂成長が生じ、得られた破壊靭性データ（試験データ）が無効となることを防止している。この残材９Ｄは貴重であるため、いずれのミニチュアＣＴ試験片５０，１５０を製作するかの判定を正確に実施することが要望される。

上記した実施形態では、Ｊ値（Ｊ_ｍａｔ：Ｊ積分）と延性亀裂成長量の制限値Δａとの一般的な関係式（数式２〜数式５）において、制限値Δａのみを、ミニチュアＣＴ試験片５０に対する延性亀裂成長量の制限値（０．２［ｍｍ］）に設定している。そして算出されたＪ値（Ｊ_ｍａｔ）を用いて、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）を算出している。

一方、Ｊ値（Ｊ_ｍａｔ：Ｊ積分）と延性亀裂成長量の制限値Δａとの関係は、試験片寸法の影響を受けることが報告されている。例えば、ＳＣＫ・ＣＥＮ（ベルギー原子力研究センター）によれば、標準ＣＴ試験片７で得られたＪ値（Ｊ_ｍａｔ）に対して、ミニチュアＣＴ試験片５０で得られたＪ値（Ｊ_ｍａｔ）は、約１／２に減少すると報告されている。

ここで、上記した判定基準値のうち、ミニチュアＣＴ試験片の負荷レベルに関する基準値Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）}（第１基準値）では、リガメント長さｂ_０が試験片の寸法によって変化するため、試験片寸法による影響が含まれているものの、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）には試験片寸法の影響が含まれていない。なお、数式５には、一部板厚の影響が含まれているが、板厚の適用範囲が０．３９〜３．２０［インチ］であり、ミニチュアＣＴ試験片５０の板厚４［ｍｍ］（０．１６［インチ］)は適用範囲外である。出願人は、いずれのミニチュアＣＴ試験片５０，１５０を製作するか正確に判定するためには、試験片寸法に応じたＪ値（Ｊ_ｍａｔ：Ｊ積分）と延性亀裂成長量の制限値Δａとの関係式を採用する必要があるとの知見を得た。

このため、本実施形態では、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）を、ミニチュアＣＴ試験片の寸法（外形寸法）を考慮して算出する。具体的には、標準ＣＴ試験片７におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）とミニチュアＣＴ試験片５０におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）との相関関係を用いて、数式２〜５で算出された標準ＣＴ試験片７に相当するＪ値（Ｊ_ｍａｔ）を、ミニチュアＣＴ試験片５０におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）に換算し、この換算したミニチュアＣＴ試験片５０におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）を用いて、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）を算出する。

図１２は、標準ＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）とミニチュアＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）との相関関係の一例を示すグラフである。本実施形態では、該相関関係として、ＳＣＫ・ＣＥＮ（ベルギー原子力研究センター）が発表しているデータを用いた。通常、標準ＣＴ試験片７のＪ値（Ｊ_ｍａｔ）に対するミニチュアＣＴ試験片５０のＪ値（Ｊ_ｍａｔ）の減少率は、材料や温度によって異なるので、対象の材料について標準ＣＴ試験片７とミニチュアＣＴ試験片５０の両方で試験を行って決定することが望ましい。しかし、原子炉圧力容器鋼の照射材のように非常に限られた材料の場合には、この関係を試験で決定することは難しい。このため、既知のデータを用いて簡易的に換算することで、寸法効果を考慮したミニチュアＣＴ試験片５０のＪ値（Ｊ_ｍａｔ）を算出することができる。なお、標準ＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）とミニチュアＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）との相関関係は、上記したものに限るものではない。

図１２に示すように、標準ＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）とミニチュアＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）とは、下に凸のカーブを有する曲線で示される。ミニチュアＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）は、標準ＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）と比較して減少しており、例えば、標準ＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）が３００［ｋＪ／ｍ^２］の時に、ミニチュアＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）は約２１０［ｋＪ／ｍ^２］を示し、標準ＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）が６００［ｋＪ／ｍ^２］の時には、ミニチュアＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）は約３６０［ｋＪ／ｍ^２］を示す。

本実施形態において、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）を算出する（ステップＳａ４）際には、上記した数式２を用いて、標準ＣＴ試験片に相当するＪ値（Ｊ_ｍａｔ）を算出し、この算出した標準ＣＴ試験片におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）を、図１２の相関関係を用いて、ミニチュアＣＴ試験片５０におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）に換算する。そして、この換算したミニチュアＣＴ試験片５０におけるＪ値（Ｊ_ｍａｔ）を用いて、延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）を算出する。これにより、試験片寸法を考慮した延性亀裂成長に関する基準値Ｋ_Ｊｍａｔ（第２基準値）を算出することができ、いずれのミニチュアＣＴ試験片５０，１５０を製作するか正確に判定することができる。

以上、本実施形態について説明したが本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態では、残材９Ｄ（供試材Ｓ）からミニチュアＣＴ試験片５０，１５０を加工する際に、ワイヤ放電加工を行う構成について説明したが、切削加工のような機械加工方法により加工されてもよい。

また、本実施形態では、供試材Ｓがシャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄである構成としたが、供試材Ｓは、例えば破壊靭性試験片７や引張試験片８の残材でもよい。

また、本実施形態では、ミニチュアＣＴ試験片５０，１５０は、シャルピー衝撃試験片９の残材９Ｄ（供試材Ｓ）から製作される構成について説明したが、これに限るものではなく、上記したマスターカーブ法を用いて破壊靭性を評価するものであれば評価対象となる対象素材から製作してもよい。一般に、ミニチュアＣＴ試験片５０，１５０に用いられる低合金鋼等の対象素材は、中性子照射により上部棚吸収エネルギー(USE)が低下する傾向にあるが、この上部棚吸収エネルギーは、例えば、加熱環境下においても低下することが確認されている。このため、中性子照射された材料だけでなく、何らかの原因で上部棚吸収エネルギーの低下が見込まれる対象素材であれば、本願のミニチュアＣＴ試験片５０，１５０を製作して破壊靭性試験片を行うことができる。これにより、この種の対象素材においても、マスターカーブの有効な温度範囲(T₀-50℃≦T≦T₀+50℃)において、有効な破壊靭性データを得ることができ、破壊靭性データを拡充することが可能となる。

１ 監視試験カプセル
２ 監視試験片
７ 破壊靭性試験片（標準破壊靭性試験片）
８ 引張試験片
９ シャルピー衝撃試験片
９Ｄ 残材
９Ｎ ノッチ部
９Ｓ 破断面
５０，１５０ ミニチュアＣＴ試験片（ミニチュア破壊靭性試験片）
５１ 凹部
５２ 溝部
５３ 孔部
５４ 予亀裂
５５ サイドグルーブ
３００ 原子炉圧力容器
３０３ 収納容器
３０４ 炉心
３０５ 制御棒駆動装置
Ｊ_ｍａｔ Ｊ値（第２基準値の算出に用いられるＪ値）
Ｋ_{Ｊｃ（ｌｉｍｉｔ）} 負荷レベルに関する基準値（第１基準値）
Ｋ_Ｊｍａｔ 延性亀裂成長に関する基準値（第２基準値）
Δａ 制限値
Ｑ，Ｒ 厚み（板厚）

Claims (10)

1. 原子炉圧力容器内に設置された監視試験カプセルに収容されて前記原子炉圧力容器の監視試験に用いられる試験片を利用し、前記監視試験後の前記試験片の残材から採取されたミニチュア破壊靭性試験片であって、
   日本電気協会規程により規定された前記ミニチュア破壊靭性試験片の外形寸法に関する規格値よりも板厚を大きく形成したことを特徴とするミニチュア破壊靭性試験片。
2. 前記板厚は、前記規格値の２倍の値であることを特徴とする請求項１に記載のミニチュア破壊靭性試験片。
3. 前記規格値で定められた前記板厚は４ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のミニチュア破壊靭性試験片。
4. 前記試験片は、シャルピー衝撃試験片であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のミニチュア破壊靭性試験片。
5. 温度と破壊靭性との関係を示すマスターカーブに基づいて対象素材の破壊靭性の評価に用いられ、前記対象素材から採取されたミニチュア破壊靭性試験片であって、
   日本電気協会規程により規定された前記ミニチュア破壊靭性試験片の外形寸法に関する規格値よりも板厚を大きく形成したことを特徴とするミニチュア破壊靭性試験片。
6. 原子炉圧力容器内に設置された監視試験カプセルに収容されて前記原子炉圧力容器の監視試験に用いられる試験片を利用し、前記監視試験後の前記試験片の残材から微小な破壊靭性試験片を製造するミニチュア破壊靭性試験片の製造方法であって、
   前記試験片の材料特性に基づき、前記破壊靭性試験片の板厚を、日本電気協会規程により規定された第１の値とするか、前記第１の値よりも大きな値に設定された第２の値とするかを判定する判定工程を備えたことを特徴とするミニチュア破壊靭性試験片の製造方法。
7. 前記試験片の材料特性に基づき、該試験片の負荷レベルに関する第１基準値と、延性亀裂成長に関する第２基準値とをそれぞれ算出する工程を備え、
   前記判定工程は、前記第１基準値と前記第２基準値とを比較し、前記第１基準値が前記第２基準値よりも大きい場合は、前記ミニチュア破壊靭性試験片の板厚を前記第２の値とし、前記第１基準値が前記第２基準値以下の場合は、前記ミニチュア破壊靭性試験片の板厚を前記第１の値とすることを特徴とする請求項６に記載のミニチュア破壊靭性試験片の製造方法。
8. 温度と破壊靭性との関係を示すマスターカーブに基づいて、対象素材の破壊靭性の評価に用いられる微小な破壊靭性試験片を前記対象素材から製造するミニチュア破壊靭性試験片の製造方法であって、
   前記対象素材の材料特性に基づき、前記破壊靭性試験片の板厚を、日本電気協会規程により規定された第１の値とするか、前記第１の値よりも大きな値に設定された第２の値とするかを判定する判定工程を備えたことを特徴とするミニチュア破壊靭性試験片の製造方法。
9. 前記対象素材の材料特性に基づき、該対象素材の負荷レベルに関する第１基準値と、延性亀裂成長に関する第２基準値とをそれぞれ算出する工程を備え、
   前記判定工程は、前記第１基準値と前記第２基準値とを比較し、前記第１基準値が前記第２基準値よりも大きい場合は、前記ミニチュア破壊靭性試験片の板厚を前記第２の値とし、前記第１基準値が前記第２基準値以下の場合は、前記ミニチュア破壊靭性試験片の板厚を前記第１の値とすることを特徴とする請求項８に記載のミニチュア破壊靭性試験片の製造方法。
10. 前記第２基準値の算出に用いられるＪ値に関し、前記ミニチュア破壊靭性試験片におけるＪ値と、このミニチュア破壊靭性試験片よりも外形寸法の大きな標準破壊靭性試験片におけるＪ値との相関関係を事前に取得しておき、
    前記相関関係に基づき、前記標準破壊靭性試験片におけるＪ値から前記ミニチュア破壊靭性試験片におけるＪ値に換算し、換算されたミニチュア破壊靭性試験片のＪ値を用いて前記第２基準値を算出することを特徴とする請求項７または９に記載のミニチュア破壊靭性試験片の製造方法。

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