JP2022538196A - 原子炉容器内バッフル用の耐放射線性オーステナイト鋼 - Google Patents
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Abstract
本発明は、原子力エンジニアリングの安全運転要件を満たすNPP（Nuclear Power Plant）の主要機器の製造、特に、６０年の耐用年数を有する加圧水型原子炉（VVER : Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reaktor）の容器内バッフルの製造において、原子力エンジニアリング産業で使用するように設計された合金鋼の冶金に関する。本発明の技術的成果は、１５０ｄｐａ（displacements per atom）までの線量で中性子束インパクトによる膨張に対する抵抗性を高めたオーステナイト系クロム‐ニッケル鋼の開発である。本発明の技術的成果は、炭素、ケイ素、マンガン、クロム、ニッケル、チタンおよび鉄を含有する公知の鋼の組成に、モリブデンおよびカルシウム並びにランタンおよびセリウムのレアアース（ＲＥＭ）、が、以下の質量パーセントの割合で含有されていることによって達成される。炭素含有量が０．０６～０．１０の範囲であり、ケイ素含有量が０．４０～０．６０の範囲であり、マンガン含有量が１．５０～２．００の範囲であり、クロム含有量が１５．０～１６．０の範囲であり、ニッケル含有量が２４．００～２６．００の範囲であり、モリブデン含有量が０．７０～１．４０の範囲であり、チタン含有量が（５＊炭素含有量＋０．１０）～０．８０の範囲であり、カルシウム含有量が０．００１～０．００３の範囲であり、ランタン及びセリウム含有量が０．００１～０．００５の範囲であり、リン含有量が０．０３５以下であり、硫黄含有量が０．００８以下であり、窒素含有量が０．０２０以下であり、コバルト含有量が０．０２５以下であり、銅含有量が０．３以下であり、スズ、アンチモン、ヒ素、ビスマス、鉛の含有量がそれぞれ０．００１以下であり、その他が鉄である。さらに、本発明の技術的成果を最も完全に達成するためには、以下の条件を同時に満たさなければならない。次式を用いて計算したクロム当量CCrequivが18.0を超えない（CCrequiv≦ 18.0）CCrequiv= CCr+ CMo+ 1.5 * CSi+ 0.5 * CTiここで、CCr、CMo、CSi、CTiは、それぞれ、クロム含有量［質量パーセント］、モリブデン含有量［質量パーセント］、ケイ素含有量［質量パーセント］、チタン含有量［質量パーセント］を示す。次式を用いて計算したニッケル当量CNiequivが27.5を下回らない（CNiequiv≧27.5）CNiequiv= CNi+ 30 * CC+ 0.5 * CMn+ 30 * CNここで、CNi、CC、CMn、CNは、それぞれ、ニッケル含有量［質量パーセント］、炭素含有量［質量パーセント］、マンガン含有量［質量パーセント］、窒素含有量［質量パーセント］を示す。開発されたニッケル含有量２５％のオーステナイト系クロム‐ニッケル鋼は、上述の技術的結果（必要な機械的特性を維持しながら膨張に対する耐性を向上）を達成する。【選択図】図１
Description
本発明は、原子力エンジニアリングの安全運転要件を満たすNPP（Nuclear Power Plant）の主要機器の製造、特に、６０年の耐用年数を有する加圧水型原子炉（VVER : Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reaktor）の容器内バッフルの製造において、原子力エンジニアリング産業で使用するように設計された合金鋼の冶金に関する。
ロシアおよび海外で原子炉容器内バッフルの製造に使用される08Х18Н10Т型および08Х18Н9型の耐食性鋼が知られている（文献１－４参照）。
VVER原子炉の容器内バッフルは、高線量の中性子曝露を受け、腐食環境である一次回路冷却材の水媒体中で運転される（文献５参照）。高線量の被ばくは、バッフル内層の追加の過熱を引き起こし、その結果、バッフルの放射線誘起膨張を引き起こす。バッフルの厚さに沿った温度勾配と膨張とは、水媒体と接触するバッフルの表面層に高い引張応力の発生をもたらす。高線量の放射線にさらされた金属と腐食環境である水媒体との接触はバッフルの腐食割れを引き起こす恐れがある。さらに、７％を超える08Х18Н10Т型の鋼の放射線誘起膨張は、γ→α変態を引き起こし、延性の低下すなわち鋼の脆化を引き起こす脆性から延性への転移を生じさせる。
鋼の耐破壊性は、５％を超える膨張時にゼロに近づく。
放射線による膨張の主な負の面は、膨張によって生じるバッフルの変形によりバッフルの内面と燃料アセンブリ（ＦＡ）のエッジとの接触を引き起こし、その結果、炉心からＦＡを除去することが困難になる恐れがあることである。
文献６，７に示された評価によれば、現在使用されている08Х18Н10Т型の鋼を使用したVVER TOI（Tipovoi Optimizirovanniy Informatizirovanniy）原子炉のバッフルの製造において、バッフルの６０年の設計寿命は、バッフルの放射線による膨張の堅実な評価では、提供されない可能性がある。さらに、上述の脆化メカニズムにより、バッフルの形状変更がＦＡとの接触につながってしまう。実施された材料研究（文献６）は、VVER TOI原子炉の設計寿命６０年の間のバッフルの性能の保証のために、08Х18Н10Т型の鋼と比較して、バッフル材料の膨張を2.4倍減少させることが必要であることを示している。
08Х18Н9型の鋼の膨張は、同じ条件下での08Х18Н10Т型の鋼の膨張よりも大きい（文献８参照）。従って、08Х18Н9型の鋼で作られたバッフルは、08Х18Н10Т型の鋼で作られたバッフルよりも寿命が短いはずである。
本発明で提案する鋼の運転状態および機械的特性に最も近いものは、GOST 5632-72規格（文献１参照）の08Х18Н10Т-У等級の鋼であり、現在、原子炉容器内バッフルの製造に現在使われている。08Х18Н10Т-У等級の鋼は、下記の質量パーセント濃度の成分を含む。
炭素含有量が０．０８以下であり、
ケイ素含有量が０．８以下であり、
マンガン含有量が２．００以下であり、
クロム含有量が１７．００～１９．００の範囲であり、
ニッケル含有量が９．００～１１．００の範囲であり、
チタン含有量が（５＊炭素含有量）～０．７０の範囲であり、
硫黄含有量が０．０２以下であり、
リン含有量が０．０３５以下であり、
コバルト含有量が０．０２５以下であり、
銅含有量が０．３以下であり、
その他が鉄である
ケイ素含有量が０．８以下であり、
マンガン含有量が２．００以下であり、
クロム含有量が１７．００～１９．００の範囲であり、
ニッケル含有量が９．００～１１．００の範囲であり、
チタン含有量が（５＊炭素含有量）～０．７０の範囲であり、
硫黄含有量が０．０２以下であり、
リン含有量が０．０３５以下であり、
コバルト含有量が０．０２５以下であり、
銅含有量が０．３以下であり、
その他が鉄である
この等級の鋼は、第３世代＋のVVERの原子炉容器内バッフルの有害な放射線量での変形および脆化の基準での放射線による膨張に対して、不十分な抵抗を有しているという特徴がある。
本発明の解決しようとする課題は、VVER TOIの原子炉容器内の部品（バッフル）の寿命を６０年まで延ばすことができる鋼を開発することである。
本発明の技術的成果は、（08Х18Н10Т型の鋼と比較して）、運転中の原子炉容器内バッフルの変形の低減を保証することができ、かつ、応力腐食破壊耐性の保持に関して中性子照射状態でのより高い延性と破壊耐性を保証することができる、１５０ｄｐａ（displacements per atom）までの線量で中性子束インパクトによる膨張に対する抵抗性を高めたオーステナイト系クロム‐ニッケル鋼の開発である。
新しい鋼のこのような複雑な特性は、少なくとも６０年を構成する設計寿命の期間、VVER TOIの原子炉容器内バッフルの運転可能性を維持する。
本発明の技術的成果は、炭素、ケイ素、マンガン、クロム、ニッケル、チタンおよび鉄を含有する公知の鋼の組成に、モリブデンおよびカルシウム並びにランタンおよびセリウムのレアアース（ＲＥＭ）、が、以下の質量パーセントの割合で含有されているというファクトによって達成される。
炭素含有量が０．０６～０．１０の範囲であり、
ケイ素含有量が０．４０～０．６０の範囲であり、
マンガン含有量が１．５０～２．００の範囲であり、
クロム含有量が１５．０～１６．０の範囲であり、
ニッケル含有量が２４．００～２６．００の範囲であり、
モリブデン含有量が０．７０～１．４０の範囲であり、
チタン含有量が（５＊炭素含有量＋０．１０）～０．８０の範囲であり、
カルシウム含有量が０．００１～０．００３の範囲であり、
ランタン及びセリウム含有量が０．００１～０．００５の範囲であり、
リン含有量が０．０３５以下であり、
硫黄含有量が０．００８以下であり、
窒素含有量が０．０２０以下であり、
コバルト含有量が０．０２５以下であり、
銅含有量が０．３以下であり、
スズ、アンチモン、ヒ素、ビスマス、鉛の含有量がそれぞれ０．００１以下であり、
その他が鉄である。
ケイ素含有量が０．４０～０．６０の範囲であり、
マンガン含有量が１．５０～２．００の範囲であり、
クロム含有量が１５．０～１６．０の範囲であり、
ニッケル含有量が２４．００～２６．００の範囲であり、
モリブデン含有量が０．７０～１．４０の範囲であり、
チタン含有量が（５＊炭素含有量＋０．１０）～０．８０の範囲であり、
カルシウム含有量が０．００１～０．００３の範囲であり、
ランタン及びセリウム含有量が０．００１～０．００５の範囲であり、
リン含有量が０．０３５以下であり、
硫黄含有量が０．００８以下であり、
窒素含有量が０．０２０以下であり、
コバルト含有量が０．０２５以下であり、
銅含有量が０．３以下であり、
スズ、アンチモン、ヒ素、ビスマス、鉛の含有量がそれぞれ０．００１以下であり、
その他が鉄である。
さらに、本発明の技術的成果を最も完全に達成するためには、以下の条件を同時に満たさなければならない。
次式を用いて計算したクロム当量CCr
equivが18.0を超えない（CCr
equiv ≦ 18.0）
CCr equiv = CCr + CMo + 1.5 * CSi + 0.5 * CTi
ここで、CCr、CMo、CSi、CTiは、それぞれ、クロム含有量［質量パーセント］、モリブデン含有量［質量パーセント］、ケイ素含有量［質量パーセント］、チタン含有量［質量パーセント］を示す。
CCr equiv = CCr + CMo + 1.5 * CSi + 0.5 * CTi
ここで、CCr、CMo、CSi、CTiは、それぞれ、クロム含有量［質量パーセント］、モリブデン含有量［質量パーセント］、ケイ素含有量［質量パーセント］、チタン含有量［質量パーセント］を示す。
次式を用いて計算したニッケル当量CNi
equivが27.5を下回らない（CNi
equiv≧27.5）
CNi equiv = CNi + 30 * CC + 0.5 * CMn + 30 * CN
ここで、CNi、CC、CMn、CNは、それぞれ、ニッケル含有量［質量パーセント］、炭素含有量［質量パーセント］、マンガン含有量［質量パーセント］、窒素含有量［質量パーセント］を示す。
CNi equiv = CNi + 30 * CC + 0.5 * CMn + 30 * CN
ここで、CNi、CC、CMn、CNは、それぞれ、ニッケル含有量［質量パーセント］、炭素含有量［質量パーセント］、マンガン含有量［質量パーセント］、窒素含有量［質量パーセント］を示す。
合金含有量範囲の幅は、重鋳造インゴットの冶金学的特徴によって調整される。
［表１］表１は、本開示の鋼等級における試作品の鍛造１の鋼および鍛造２の鋼の材料の化学組成を含む表である。
［表２］表２は、本開示の鋼等級における鍛造３の鋼および鍛造４の鋼の材料の化学組成を含む表である。
［表３］表３は、水冷で１０５０℃オーステナイト化した本開示の鋼等級および試作品の機械的性質に関するデータを示す。
［表２］表２は、本開示の鋼等級における鍛造３の鋼および鍛造４の鋼の材料の化学組成を含む表である。
［表３］表３は、水冷で１０５０℃オーステナイト化した本開示の鋼等級および試作品の機械的性質に関するデータを示す。
これらの比率の達成は、原子炉容器内バッフル（γ→α変態なし）の全運転寿命の期間のオーステナイト組織の保持、粒界応力腐食割れに対する耐性の維持、および原子炉運転期間終了時の最大６％のバッフル材料のピーク膨張値を保証する。
合金元素を含む上記特定の元素の比率およびそれらのいくつかの全含有量の許容される制限は、最高照射温度Ｔirr＝３７０℃で１５０ｄｐａまでの線量の照射後に、必要とされる水準の機械的特性および空隙膨張（６％以下）を提供するように選択される。
プロトタイプ同様、提案する鋼は炭素およびチタンと合金化される。提案する鋼には炭素含有量の下限（０．０６％）が規定されており、炭素含有量の上限は０．１％が規定されている。チタンとの合金化は、金属マトリクス中の炭化チタンの含有量を保証する計算に基づいてなされ、放射線による膨張の削減に影響を及ぼす。炭化物マトリクスの界面上に弾性的に歪んだ領域が形成され、それらのコヒーレント性と無視できない格子不整合とのため、原子空孔のドレインとして働く（文献９参照）。さらに、ＴｉＣ炭化物は、ヘリウムバブルを保持し、細孔への変換が困難である。文献１０に示すように、０．１％以下のチタンをХ16Н15М3型の鋼に投入すると、Ｔirr＝５００℃で７０ｄｐａの線量の放射線照射後の膨張が１５％から２％に減少する。提案する鋼の炭素含有量をＣ（Ｃは０．０６％～０．１０％）として、提案する鋼のチタン含有量（（５Ｃ＋０．１）％～０．８％）は、境界近接部のセクションのクロム欠乏および結晶間腐食割れの増加につながる、粒子の境界に沿ったＣｒ23Ｃ6炭化物の形成防止を確実にする。固溶体中に残留するチタンと炭素は、放射線誘起ＴｉＣ炭化物のポジティブな影響および固溶体中の個々のチタン原子の影響、の両方により膨張の抑制に顕著な貢献をする。チタンの原子半径はＲTi＝０．１４５ｎｍであり、チタン原子と鉄空孔（凝集エネルギー０．３ｅＶ（文献１１参照））とのパッケージ生成を条件付け、それによって、格子間原子のための追加の再結合中心を形成する。
チタン含有量が０．８～１．０％を超えると、放射線照射により、Ｎｉ3Ｔｉ（γ’相）の高濃度分散粒子が鋼中に形成される。γ’相析出は、空隙膨張に二重の影響を及ぼす。基本的に、微細に分散したγ’相は、ＴｉＣ炭化物の影響と同様のメカニズムの下で膨張を抑制する（文献１０参照）。一方、γ’相は、γ→α変態と膨張の成長とを刺激する可能性のある、かなりの量のニッケルを固溶体から除去する。
オーステナイト鋼の照射過程でのγ→α相変化は、主にニッケルによるオーステナイト促進元素によるマトリクスの劣化により起こる。加えて、オーステナイトマトリクスの劣化は、膨張の強化を伴う。Ｆｅ‐Ｃｒ‐Ｎｉ系の単純三成分合金および複合合金化工業化合物の両方について、ニッケル濃度の増加は、膨張の抑制に正の影響が認められる。３５～４５％の間のニッケル含有量において、膨張の最小値が認められる。ニッケルによるオーステナイトマトリクスの消耗の程度の定量的評価は、膨張の大きさが８％の場合、ニッケルによるマトリクスの消耗は約６％であることを示す（文献１２）。
鋼に高い耐食性を与える主な元素はクロムである。クロムの役割は、鋼に不動態化の能力を提供することである。１２．５％を超える鋼中のクロム含有量でのみ保護不動態化膜が形成される。本開示の等級におけるクロム含有量は、照射下のニッケルによるマトリックスの消耗を考慮した鋼の単相オーステナイトの微細構造の保証を目的として、１５～１６％の範囲で与えられる。
鋼に高い耐食性を与える主な元素はクロムである。クロムの役割は、鋼に不動態化の能力を提供することである。１２．５％を超える鋼中のクロム含有量でのみ保護不動態化膜が形成される。本開示の等級におけるクロム含有量は、照射下のニッケルによるマトリックスの消耗を考慮した鋼の単相オーステナイトの微細構造の保証を目的として、１５～１６％の範囲で与えられる。
シェフラー図を用いて作製したγ→α変態に対する各種鋼の傾向の評価は、クロム当量ＣCr
equiv（１６～１９％）を含むオーステナイト鋼中のγ→α変態の欠如のため、６０年間の放射線照射におけるニッケルによる鋼マトリクスの消耗を考慮し、鋼中のニッケル含有量は、プロトタイプと比較して（９．００～１１．００％）から最低２０％まで増加させなければならないことを示す。このようなニッケルの増加は、放射線照射による膨張、放射線誘起相の形成および偏析によるニッケルによる材料マトリクスの消耗を補償し、８％までの膨張に対して完全なオーステナイト構造を提供することを保証する。試作品と比較したニッケル含有量の増加は、中性子曝露中の空隙膨張の低減にも役立つ（文献１２参照）。それにもかかわらず、２０％のニッケル含有量は、試作品と比較して、空隙膨張の十分な減少には十分ではないかもしれない。クロム含有量１６％における２０％までのニッケルの増加では膨張の減少がないことを示す文献１３の研究結果を考慮して、ニッケル含有量２０％およびニッケル含有量２５％の２つのバリアントを、化学組成の選択で考慮した。
さらに、２５％までのニッケルの増大は、ニッケルによる消耗に等しいクロムによるマトリクスの電位濃縮においてさえ、γ→α変態の欠如を保証する。
モリブデンは種々の元素の拡散移動度を低下させクリープ抵抗を増大させる元素である。さらに、モリブデンの添加は、運転中のマトリクスにおける不純物元素および合金化の偏析度を低減し、鍛造中のブランクの中のグレインポイントの形成に重要な再結晶温度の上昇を可能にする。元素の拡散移動度の低減は、膨張の低減とクリープ抵抗の増加を含む、応力腐食割れに対するより高い抵抗性を提供することを可能にする。
しかし、チタンとモリブデンの同時合金化は、鋼中に（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃタイプの大きな炭化物の形成につながり、これは破壊抵抗と衝撃粘度の低下につながる可能性がある。文献１４で行われた調査によれば、（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃタイプの大きな炭化物の形成は、１．５％までのモリブデン含有量の削減時でも起こる。従って、新しい鋼中のＭｏ含有量は、０．７～１．４％の範囲に確立される。
しかし、チタンとモリブデンの同時合金化は、鋼中に（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃタイプの大きな炭化物の形成につながり、これは破壊抵抗と衝撃粘度の低下につながる可能性がある。文献１４で行われた調査によれば、（Ｔｉ，Ｍｏ）Ｃタイプの大きな炭化物の形成は、１．５％までのモリブデン含有量の削減時でも起こる。従って、新しい鋼中のＭｏ含有量は、０．７～１．４％の範囲に確立される。
ケイ素は、本開示の鋼等級の還元剤の１つとして使用される。ケイ素は、ニッケルやその他のオーステニック鋼の主合金元素と比較して、いくつかのオーダーの拡散移動性を有している。鋼中の拡散の加速によって、ケイ素の合金は、空孔の付着による過飽和を減少させ、それによって細孔の核形成の速度を減少させる。
また、元素の寸法に対するケイ素の影響のもう一つのメカニズムは、ニッケル-ケイ素が格子間原子を有する安定な複合体を形成し、それによって空孔との再結合の程度が増加することと似ている。しかしながら、γ’相形成のプロセスにおいて、Ｎｉ3Ｓｉ系シリコンの除去は、ニッケルと一緒に固溶体から起こり、効率的に、膨張の抑制し、γ相を安定化する。08Х18Н10Тの試作品中のケイ素含有量の上限は、０．８％に制限される。
シリコンのプラスとマイナスの両方の影響を考慮すると、シリコンの含有量は、本開示の等級における０．４～０．６％のレベルに制限される。
また、元素の寸法に対するケイ素の影響のもう一つのメカニズムは、ニッケル-ケイ素が格子間原子を有する安定な複合体を形成し、それによって空孔との再結合の程度が増加することと似ている。しかしながら、γ’相形成のプロセスにおいて、Ｎｉ3Ｓｉ系シリコンの除去は、ニッケルと一緒に固溶体から起こり、効率的に、膨張の抑制し、γ相を安定化する。08Х18Н10Тの試作品中のケイ素含有量の上限は、０．８％に制限される。
シリコンのプラスとマイナスの両方の影響を考慮すると、シリコンの含有量は、本開示の等級における０．４～０．６％のレベルに制限される。
マンガンは、鋼から酸素および硫黄を除去するために使用される。マンガンは、他の合金元素よりも偏析の傾向が少ない。マンガンは、炭素含有量が非常に低い鋼を除く全炭素含有量範囲で鍛造の品質に有利に影響し、熱脆性の危険性も低減する。マンガンは鋼の鍛造品質と溶接性に好影響を及ぼす。マンガンはオーステナイトの形成を助け、状態図におけるオーステナイト領域を広げる。マンガンの含有量が多い（２％を超える）と、硬化時の割れや反り歪みの傾向が大きくなる。本開示の鋼中のマンガン含有量は、レベル１．５～２．０％に制限される。
本開示の鋼中の窒素含有量は、窒素が形成された形成された窒化チタンおよび炭窒化物の形成をもたらし、不純物として特定される（文献１５参照）。さらに、窒素は応力腐食割れに対する鋼の抵抗に悪影響を及ぼす積層欠陥エネルギー（ＳＦＥ：stacking fault energy）を低減する。上記に基づき、冶金学的製造の現状を考慮すると、窒素含有量は0.02%を超えてはならない（ＣN≦０．０２％）。
本開示の鋼は、０．００１～０．００３％の量のカルシウムと合金化される。カルシウムは、凝固のプロセスにおいて、成長する結晶の表面に吸着され、金属結晶面の成長速度を低下させ、より分散した構造の形成を促進する。カルシウムは、高融点化合物中の硫黄に結合し、硫黄の超平衡含有量で容易に溶融可能な硫化物ＴｉＳおよびＮｉＳの形成の可能性を急激に減少させる。
希土類金属（ＲＥＭ）のセリウムおよびランタン混合物を累積量０．００１～０．００５％で金属に導入すると、結晶粒微細化がもたらされ、鋼の酸素、硫黄を清浄にし、非鉄金属の混合物の危険な影響を中和し、高融点化合物中の硫黄および酸素の結合に続く熱間割れの形成に対する耐性の蓄積の観点から鋼の溶接性を改善する（文献１６参照）。
希土類金属は、鍛造中の変形に対する抵抗を減少させ、大型鍛造品の製造中の鋼の加工性を増加させる。さらに、これらの金属は、空隙膨張を減少させる（文献９参照）。
希土類金属は、鍛造中の変形に対する抵抗を減少させ、大型鍛造品の製造中の鋼の加工性を増加させる。さらに、これらの金属は、空隙膨張を減少させる（文献９参照）。
リンは拡散移動度が高く、鋼の主要元素の拡散速度を強める。リン化物Ｆｅ2Ｐの偏析は、高い不適合に起因して、偏析マトリクスの界面上の孤立した放射線誘起欠陥の再結合を強化する（文献９、１７参照）。従って、リンは、本開示の鋼等級における不純物として考慮されるべきではない。膨潤を減少させる観点からの最適なリン含有量は、０．０２０％～０．０３５％である（文献１２、１７参照）。
それにもかかわらず、リンは粒界偏析を形成し、鋼の耐食性を低下させる可能性があることに注意すべきである（文献１８参照）。
現代の冶金装入材料では、０．０１％から０．０３５％までのリン含有量によるクロム－ニッケル鋼の純度についての特別な要件を導入することなく使用されることを考慮すると、リン含有量は、試作品の場合のように０．０３５％だけ制限される可能性がある。
本開示の等級における硫黄含有量は、０．００８％に制限され、カルシウムとのマイクロアロイと組み合わせることにより、インゴットの凝固時に低融点共晶が実質的に全く存在しないことが保証され、その結果、そのプロセス強度が提供される。さらに、硫黄含有量が少ないため、硫化物の体積率が低く、その結果、高いレベルの耐亀裂性と衝撃硬度が確保される（文献１９）。
試作品の鋼のおける不純物としての銅含有量は、文献１の銅を合金化しない鋼によれば０．３％に制限される。
スズ、アンチモン、ヒ素、ビスマス及び鉛の元素は不純物として分類され、提案された鋼中のそれらの含有量は０．００１％を超えない。規定レベル以上の不純物含有量は、運転温度と照射による粒界への拡散偏析の強化の影響における鋼‐不純物の特性に悪影響を及ぼし、それらの凝集強度を弱める。
コバルトは長寿命の同位体を形成するため、鋼中の含有量も、提案されている鋼の溶融時の組成における最低レベル（０．０２５％以下）に制限される。
実験研究に続く鋼とニッケルとの経済的合金化の原理からの第１段階では、本開示の鋼の組成は、ＲＥＭおよびカルシウムの導入なしで、２０％の含有量のニッケルを除く特許組成限界内の合金化および不純物元素の含有量が選択された。それぞれ５００ｋｇの重量の２つのパイロット鍛造品（試作品の鍛造１の鋼（08Х18Н10Т鋼等級）、鍛造２の鋼）を製造した。
真空誘導炉で金属を溶融した。インゴット鋳造は真空中で行った。得られた金属は市販のプレス鍛造装置上で熱間成形法の対象とした。
材料の化学組成を表１に示す。
２０％のニッケルの本開示の鋼と試作品の鋼との高線量の放射による空隙膨張を比較評価するために、イオン加速器中の重イオンによる照射を行った。照射は、中性子照射の核反応後の材料中での生成を模倣し、異なる温度および異なるレベルの予め注入されたヘリウムの下で行われた。
走査型および透過型電子顕微鏡法を用いて、試料の照射層の微細構造および空隙膨張試験を行った。
図１からわかるように、２０％のニッケルを含む本開示の鍛造２の鋼は、試作品の鍛造１の鋼と比較して、膨張量が１．３倍小さい。
従って、ニッケル含有量２０％の本開示の鋼は、プロトタイプと比較して必要な２．４倍の照射膨潤の低減を提供しないため、材料は、設計運転期間６０年間の間、VVER TOIのバッフルの機能的能力を保証しない。
得られた結果に基づき、本開示の鋼等級５００ｋｇの鍛造３の鋼と鍛造４の鋼のパイロット鍛造品２個を追加製作した。鍛造３の金属中の合金およびドーピング元素の含有量は、ＲＥＭおよびカルシウムを投入しない特許組成に対応し、鍛造品４の金属中の合金およびドーピング元素の含有量は、特許組成に完全に対応する。
鍛造３の鋼および鍛造４の鋼の材料の化学組成を表２に示す。
鍛造３の金属と鍛造４の金属を、VVER型原子炉で内部材料の照射を模擬したモードで、イオン加速器で照射した。試作品の金属（鍛造１の金属)についても同じモードで照射した。
図２から明らかなように、鍛造３の金属の膨張は試作品の２．４倍小さく、鍛造４の金属の膨張は試作品の２．４倍小さい。
得られたデータは、２０％の含有量のニッケルを有する鋼（鍛造２の金属）と比較して、２５％の含有量のニッケルを有する本開示の鋼の明確な利点を示した。さらに、希土類金属およびカルシウムの投入は、ある程度空隙膨張を抑制することが明らかである。
膨潤抑制におけるＲＥＭおよびカルシウムの正の影響とは別に、鍛造中の鋼の加工性に対するこれらの元素の正の影響が確認された。
各鍛造温度における鍛造３の金属（ＲＥＭおよびカルシウムなし）および鍛造４の金属（ＲＥＭおよびカルシウムあり）の金属変形図の比較を図３に示す。図３に示すようにＲＥＭとカルシウムを用いた鋼の金属変形の耐性が低いことは明らかである。
試作品の鍛造１の金属と、本開示の鍛造４の金属の機械的性質の調査を、鍛造（水冷１０５０℃での拡散焼なまし（オーステナイト化））後に熱された試料、について行った。
オーステナイト化温度での保持は、断面の２ｍｉｎ／ｍｍの計算に基づく。ブランクは、熱された材料から製造され、温度＋２０℃および３５０℃での静止張力での試料とした。
オーステナイト化温度での保持は、断面の２ｍｉｎ／ｍｍの計算に基づく。ブランクは、熱された材料から製造され、温度＋２０℃および３５０℃での静止張力での試料とした。
機械的性質を測定した結果を表３に示す。OST 108.109.01-92による08Х18Н10Тの試作品の鋼の機械的性質の範囲に対する要件は、表３に示されており、原子炉内部、特にバッフルの静止強度を計算する際に使用される。機械的試験の結果は、ある点における２つの試料について平均化されている。
表３のデータから、両方の鍛造品の金属が、試作鋼の機械的性質に提示されたOST 108.109.01-92の要件を満たし、VVER TOI型原子炉のバッフルの強度特性を満たすことが明らかである。
ＲＥＭおよびカルシウムを添加したニッケル２５％を含む本開示の鋼の機械的性質が、試作品の鋼の機械的性質に提示されたOST 108.109.01-92の要件を満たし（表３）、放射線による膨張が、試作品の鋼よりも２．７倍低いと仮定して、将来のVVERの内部に特定の鋼を使用することが提案される。
さらに、ＲＥＭとの鋼の合金化は、その加工性を改善することに留意すべきである（図３）。
構造条件に影響を及ぼす主要な合金元素の変動を考慮し、ニッケルによるマトリクス消耗及び照射中のクロムによる富化をもたらすプロセスを考慮すると、公表された組成物の全運転時間中におけるオーステナイト組織を提供するために、以下の条件を満たさなければならない。
次式を用いて計算したクロム当量CCr
equivが18.0を超えない（CCr
equiv ≦ 18.0）
CCr equiv = CCr + CMo + 1.5 * CSi + 0.5 * CTi
ここで、CCr、CMo、CSi、CTiは、それぞれ、クロム含有量［質量パーセント］、モリブデン含有量［質量パーセント］、ケイ素含有量［質量パーセント］、チタン含有量［質量パーセント］を示す。
CCr equiv = CCr + CMo + 1.5 * CSi + 0.5 * CTi
ここで、CCr、CMo、CSi、CTiは、それぞれ、クロム含有量［質量パーセント］、モリブデン含有量［質量パーセント］、ケイ素含有量［質量パーセント］、チタン含有量［質量パーセント］を示す。
次式を用いて計算したニッケル当量CNi
equivが27.5を下回らない（CNi
equiv≧27.5）
CNi equiv = CNi + 30 * CC + 0,5 * CMn + 30 * CN
ここで、CNi、CC、CMn、CNは、それぞれ、ニッケル含有量［質量パーセント］、炭素含有量［質量パーセント］、マンガン含有量［質量パーセント］、窒素含有量［質量パーセント］を示す。
CNi equiv = CNi + 30 * CC + 0,5 * CMn + 30 * CN
ここで、CNi、CC、CMn、CNは、それぞれ、ニッケル含有量［質量パーセント］、炭素含有量［質量パーセント］、マンガン含有量［質量パーセント］、窒素含有量［質量パーセント］を示す。
実施された試験の結果は、２５％のニッケル含有量を有する開発されたオーステナイトクロム－ニッケル鋼が、明細書に明記された技術的成果（要求される機械的特性の保存による耐膨張性の増大）を達成することを証明するものであり、試作合金に関しては、その欠点が確認されている。
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R.V. Khertsberg Deformation and fracture mechanics of structural materials. Translated from English By A.M. Bernshtein Edited by M.L. Bernshtein, S.P. Efimenko, Metallurgy 1989, pages 575, illustrations 21.
Claims (2)
- ＶＶＥＲ原子炉の容器内バッフルに用いられる耐放射線オーステナイト鋼であって、
炭素、ケイ素、マンガン、クロム、ニッケル、チタン、鉄を含み、
モリブデン、カルシウム、ランタン、セリウムを追加で含む点で異なり、
各構成要素が、以下の質量パーセントの割合で含有され、
炭素含有量が０．０６～０．１０の範囲であり、
ケイ素含有量が０．４０～０．６０の範囲であり、
マンガン含有量が１．５０～２．００の範囲であり、
クロム含有量が１５．０～１６．０の範囲であり、
ニッケル含有量が２４．００～２６．００の範囲であり、
モリブデン含有量が０．７０～１．４０の範囲であり、
チタン含有量が（５＊炭素含有量＋０．１０）～０．８０の範囲であり、
カルシウム含有量が０．００１～０．００３の範囲であり、
ランタン及びセリウム含有量が０．００１～０．００５の範囲であり、
リン含有量が０．０３５以下であり、
硫黄含有量が０．００８以下であり、
窒素含有量が０．０２０以下であり、
コバルト含有量が０．０２５以下であり、
銅含有量が０．３以下であり、
スズ、アンチモン、ヒ素、ビスマス、鉛の含有量がそれぞれ０．００１以下であり、
その他が鉄である
ことを特徴とする。 - 請求項１のＶＶＥＲ原子炉の容器内バッフルに用いられる耐放射線オーステナイト鋼であって、
以下の条件１および条件２を同時に満たす
（条件１）
次式を用いて計算したクロム当量CCr equivが18.0を超えない（CCr equiv ≦ 18.0）
CCr equiv = CCr + CMo + 1.5 * CSi + 0.5 * CTi
ここで、CCr、CMo、CSi、CTiは、それぞれ、クロム含有量［質量パーセント］、モリブデン含有量［質量パーセント］、ケイ素含有量［質量パーセント］、チタン含有量［質量パーセント］を示し、
（条件２）
次式を用いて計算したニッケル当量CNi equivが27.5を下回らない（CNi equiv≧27.5）
CNi equiv = CNi + 30 * CC + 0.5 * CMn + 30 * CN
ここで、CNi、CC、CMn、CNは、それぞれ、ニッケル含有量［質量パーセント］、炭素含有量［質量パーセント］、マンガン含有量［質量パーセント］、窒素含有量［質量パーセント］を示す。
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