JPS5856024B2 - 高速炉々心構造用オ−ステナイト系鋼 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高速炉々心構造用材料としてすぐれた耐スウ
ェリング性および高速強度特性を有するオーステナイト
系鋼に関する。

高速炉々心構造部材、例えば燃料ピンを密に充填する六
角形状のラッパー管や燃料被覆管等は、液体すｔ−ＩＪ
ウム中で高速中性子の照射をうけ、また種々の応力をう
けるほか、約７００℃にも達する高温度にさらされる等
、その使用条件は極めて苛酷である。

この高速炉々心構造用材料として、従来液体ナトリウム
に対する耐食性にすぐれ、高温強度も比較的高い３１６
オーステナイト鋼が広く用いられてきた。

また、高速炉々心構造物は、安全性確保のために、一般
構造物とくらべ、極めて厳しい寸法特性、形状特性、材
料の健全性、および溶接部健全性などが要求されるため
、材料の加工性や溶接性にもすぐれていなければならな
いが、３１６オーステナイト鋼はこれらの特性も良好で
ある。

ところ力失同鋼種は、上記特性を有する反面、高速中性
子の照射をうけると、密度が低下し、体積膨張（スウェ
リング）を生ずるという間須がある。

使用末期（中性子照射量約２．０Ｘ１０２３ｎ／ｃｒＡ
）でのスウェリング量は、例えば約１５係を越える。

このスウェリング量は、温度と中性子照射量に依存する
ので、炉内の位置によって温度および中性子照射量の異
なる炉心構造物では、位置によってスウェリング量が異
なり、このため炉心構造物に変形が生ずることになる。

例えば、ラッパー管では、炉心の中心側と外側とのスウ
ェリングの差異による湾曲、捩れなどが生じ、燃料の交
換に多大の支障をきたす。

また、燃料被覆管では、スウェリングによる外径の膨れ
・変形によって燃料ピン間の間隔が狭くなり、冷却剤（
液体すｌ−ＩＪウム）の流動抵抗の増大に伴い、冷却能
の劣化・燃料温度の上昇による燃料破損事故を引き起こ
す危険がある。

炉心構造部材は、上記問題を防ぐために充分なる耐スウ
ェリング性を備えるほか、高温での運転条件のもとで、
種々の機械的応力による変形に耐え得る高温強度を具備
しなければならない。

とりわけ、増殖率の向上、倍増時間の短縮、燃焼度の向
上により経済的な稼動を行なうための材料性能として、
中性子照射量約２．０ Ｘ １０”” ｎ ／ｒｙＡで
スウェリング量が約１０％を越えず、また温度約６７５
℃におけるｉｏ、ｏｏｏ時間クリープ破断強度は約１０
Ｋ９／ｒｒｖｎ”以上であることが必要である。

従来の３１６オーステナイト鋼ではかかる性能を満たす
ことは不可能である。

このたム これまでにも各種オーステナイト鋼の開発が
進められてきた。

例えば、スウェリングの軽減を目的として、予め冷間加
工を施して転位密度を高めておく方法がある。

しかし従来の３１６オーステナイト鋼に同法を適用して
も、使用期間を通じて高い転位密度を保持することは困
難で、回復または再結晶により冷間加工の効果が失なわ
れてしまう。

また、３１６オーステナイト鋼にＳｉを１．１〜２．０
％添加したもの、あるいはオーステナイト鋼にＳｉＯ，
７〜２．０％とＴｉ０．１〜０．５％を複合添加したも
のなどが提案されており、耐スウェリング性の改善に一
定の効果を上げている。

しかし、Ｓｉを約１０饅を越えて加えることは高速炉々
心構造用材料として必要な他の特性、例えば、溶接性や
加工特性等の悪化を伴う点で好ましくない。

このほか、オーステナイト鋼にＳｉ０．７係以下、Ｔｉ
０．０３〜０．５係を加えた鋼も発表されている。

この鋼は、溶接性や加工性は従来の３１６オーステナイ
ト鋼とほぼ同程度と推定されるが、耐スウェリング性や
高温強度の改善効果が不十分である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、オース
テナイト系鋼の取分組成に関する詳細な研究の結果、一
定の合金元素を、その添加量を変数とする関数で与えら
れるパラメータの値が特定の範囲を満足するように添加
することにより、高速炉々心構造用材料として必要な加
工性、溶接性および液体ナトリウムに対する耐食性を損
なわずに、従来の３１６オーステナイト鋼を凌ぐ耐スウ
ェリング性と高温強度を具備せしめることに成功した。

すなわち、本発明は、Ｃｒ約９．０〜２６．０％、Ｎｉ
約６．０〜４０．０％を含むオーステナイト系鋼であっ
て、（１）Ｐ約０．０５係以下およびＢｏ、０１係以下
の１種もしくは２種の元素、並びに（１１）それぞれ約
０．３ ｆｂ以下のＴｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮｂから選ば
れる１種もしくは２種以上の元素を含有し、かつ下記〔
１〕およびＣＩＤ式、 〔式中、ＸＰはＰｌＸＢはＢ、ＸＴｉはＴｉ。

Ｘ■は■、ＸＺｒはＺｒおよびＸＮｂはＮｂのそれぞれ
の含有量（Ｗ ｔ ％ ）を表わす〕にて算出されるパ
ラメータＰ、およびＰ２が下記〔■〕式 を満たすように上記（［）および（１［）群から選ばれ
る元素を含む耐スウェリング性および高温強度にすぐれ
た高速炉々心構造用材料を提供する。

以下、本発明鋼について詳しく説明する。

本発明鋼はＣｒおよびＮｉを含有する各種オーステナイ
ト系鋼を基本戒分鋼とする。

Ｃｒは、耐酸化性の改善に寄与する。

このため少なくとも約９．０係添加される。

但し、多量に加えると、スウェリングが増加し、またオ
ーステナイト相の安定性が阻害されるので、約２６０％
を上限とする。

Ｎ１は、オーステナイト相の安定化のほかに、スウェリ
ング軽減の効果を有する。

このため約６．０％以上加えられる。

一方、中性子経済、Ｎｉ中のコバルト流出による誘導放
射能の発生防止、および液体ナトリウムに対する耐食性
低下防止等の観点から約４０．０％を上限とする。

ＰおよびＢは、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂなどの炭化物およ
びクロム炭化物を微細かつ均一に析出させる作用を有し
、これら微細析出物は転位の運動の障害となって高温強
度を高める効果をもたらす。

また、該微細析出物が使用中に析出することにより冷間
加工にて導入される転位の回復効果による消滅を抑制し
、炉心構造材として用いられたとき、その使用末期まで
高い転位密度を保持し、スウェリング軽減の働きを有す
る。

これらの効果は、ＰまたはＢの一方を単独添加すること
によって得られるが、両者を複合使用した場合には、微
細析出物の族長が抑制されるので、上記転位運動の障害
効果が強化され、更に高温強度が高められる。

上記効果を得るためのＰは、多量に添加すると高温にお
ける加工性および延性の悪化を引き起こすので、約０．
０５％を上限とする。

また、Ｂは、低融点化合物を形成し、熱間加工性および
溶接性を阻害するので、約０．０１％以下の範囲で加え
られる。

ＰおよびＢの作用により均一微細に析出する析出物は冷
間加工工程にて導入される転位密度を長時間保持するこ
とによりスウェリングを軽減する効果をもたらす。

また、Ｔｉ、 Ｎｂ、 Ｖ、Ｚｒ、ＰおよびＢ６Ｊ
照射により生ずる格子間原子および空孔などの点欠陥
との直接相互作用、あるいは該元素と転位との相互作用
を持つことにより、転位の応力場を緩和する結果、格子
間原子の優先的吸収を抑えてスウェリングを軽減する効
果を与える。

上記Ｔｉ、Ｎｂ、ＶまたはＺｒは単独もしくは、任意の
２種もしくはそれ以上の元素の組合せにより添加してよ
い。

ただし、多量に加えると加工性および溶接性が悪くなる
ので、各元素とも約０．３係を上限として加えることが
望ましい。

これにより、従来の３１６オーステナイト鋼と同等の加
工性、溶接性を維持しながら上記効果を発揮させること
ができる。

更に、これら元素の添加量は、前記〔Ｉ〕および〔■〕
式から算出されるパラメータＰｌおよびＰ２がＣＭ［，
１式を満足するように調節される。

パラメータＰ１は、中性子照射量が２．ＯＸＩＯ２３ｎ
／ｃｎｆの場合のスウェリング量との間に一定の相関関
係を有する。

その関係を第１図に示す、図に示されるように、従来の
３１６オーステナイト鋼（図中、ＳＴ）のＰｌは約１．
０を越える（同側ではＰ１＝１．４）高い値であるため
、スウェリング量も約１４係の大きな値となっているが
、前記〔１１式に従ってＰｌの値を小さくするに従って
スウェリング量も減少し、特に約１．０以下にすること
によって１０係以下と、３１６オーステナイト鋼に比し
大幅に改善されることが判る。

Ｐ２は、温度約７００℃における１０００時間クリープ
破断強度と相関関係を有する。

その関係を第２図に示す。

図から明らかなように、従来の３１６オーステナイト鋼
（図中、■）のＰ２は約１．０であり、その破断強度は
約１３程度にすぎないが、〔■〕式に従ってＰ２の値が
約１．０以上となるように合金元素を調節すれば、その
値に応じて、３１６オーステナイト鋼を凌駕する破断強
度が与えられる。

本発明に係るオーステナイト系鋼の溶製および圧延等の
加工法に特別の制限はなく、この種の鋼に通常採用され
る一般的条件に従って行なえばよい。

また、鋼組成中の不純物元素も通常この種の鋼に許容さ
れる範囲内で存在してもかまわない。

なお、材質特性の改善を目的として加えられる。

各種元素は常法に従って適宜添加してよい。

次に実施例を挙げて本発明鋼の材質特性について具体的
に説明する。

実施例 真空高周波溶解法により、第１表に示す各種取分紐取の
オーステナイト系鋼を溶製し、最終溶体化処理後、２０
％の冷間加工を施して供試材とし、それぞれについてス
ウェリング量および高温強度の指標としてのクリープ破
断強度を測定した。

供試材Ｒ４，Ｒ２およびＲ３は、各元素側々の含有量は
本発明の規定を満たすカス前記〔Ｉ〕および〔Ｒ９式よ
り算出さるＰｌまたはＰ２が本発明の規定（Ｐ１≦約１
．０ Ｊ Ｐ２≧約１．０）から逸脱している比較材で
ある。

供試材ＳＴは従来の３１６オーステナイト鋼の代表的組
成を有する比較材である。

供試材１〜１６は本発明に係るオーステナイト系鋼であ
る。

なお、スウェリングの測定は、試験片を５２５℃に加熱
して２００Ｋｅｖ炭素イオン照射法により、中性子照射
量２．ＯＸ １０２３ｎ ／ｃｒｒｆに相当する照射を
行なったのち、その照射部を電解研磨により薄膜として
透過電子顕微鏡写真を撮影し、該写真にて、形成された
ボイド個数・体積を測定して下式によりスウェリング量
を算出した。

スウェリング量［株］＝△Ｖ／（Ｖ−△ｖ ） ｘ ｉ
ｏ。

〔但し、△■はボイド体積、■は測定視野の照射前の体
積である〕。

また、クリープ破断試験は、大気中温度７００℃にて行
ない、応力−破断時間の関係を統計的手法により回帰式
で表わして１００００時間破断強度を算出した。

上記測定により得られた各供試材のスウェリング量とパ
ラメータＰ１との関係を第１図に示す。

図中の各番号は前記第１表の各供試材の記号または番号
を表わす。

図に示されるように、Ｐｌの正の領域では、Ｐｌの増加
とともにスウェリング量も増し、一方Ｐ１が負の領域で
はスウェリングははＫＱになることが判る。

また、比較材である３１６オーステナイト鋼（ＳＴ）、
Ｒ１およびＲ２は、いずれもＰ、）１．０であり、スウ
ェリング量は１０％を越えているのに対し、Ｐｌ ≦約
１．０の本発明鋼（１）〜（１６）はすべて１０係以下
と良好な性能を備えている。

第２図は、７００℃における１０００時間クリープ破断
強度とパラメータＰ２ との関係を示す。

該破断強度はＰ２の増加とともに向上する関係にあり、
従来の３１６オーステナイト鋼ＳＴはＰ２１．０で、そ
の破断強度は約１３Ｋｑ／ｗｒＬ２に満たず、またＰ２
が１，０未満の比較材Ｒ２およびＲ３の破断強度はさら
に低い。

これに対し、Ｐ２の値が１．０以上の本発明鋼および比
較材Ｒ１は、従来の３１６オーステナイト鋼よりも高い
破断強度を有することが判る。

上記試験結果について各供試材の材質特性を総合的に評
価すると、比較材Ｒ１（Ｐｌ） １．０ 、Ｐ２）１．
０）は、７００℃の１０００時間クリープ破断強度は良
好であるが、スウェリング量が太きい点で本発明鋼に劣
る。

比較材Ｒ２（Ｐ １）１．０ 、 Ｐ２＜ｉ、ｏ）は破
断強度および耐スウェリング性のいずれにも良くない。

また比較材Ｒ３（Ｐｌ（１，０。Ｐ２（１；Ｏ）はスウ
ェリング特性は良好であるが、破断強度は劣る。

これに対し、本発明鋼は破断強度および耐スウェリング
性のいずれも、従来の３１６オーステナイト鋼を凌駕す
る良好な性能を具備している。

以上のように、本発明により、ＰまたはＢ１ および
炭（至）化物形成元素であるＴｉ、■、Ｚｒ、またはＮ
ｂの各元素を特定量含んで成るオーステナイト系鋼は、
従来の３１６オーステナイト鋼よりスウェリング量が少
なく、かつ耐高温強度にすぐれ、しかも加工性、溶接性
および液体ナトリウムに対する耐食性は３１６オーステ
ナイト鋼と同等の性能を備えているので、高速炉々心構
造用材料として極めて好適であり、高速炉操業の円滑さ
・安全性の改善に寄与し、さらに増殖率の向上、倍増時
間の短縮等による経済的操業を可能にする等、従来の３
１６オーステナイト鋼を用いた場合の各種制約を克服す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はスウェリング量とパラメータＰ１の関係を示す
グラフ、および第２図はクリープ破断強度とパラメータ
Ｐ２の関係を示すグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｉ Ｃｒ９．０〜２６．０％およびＮ ｉ ６．０〜
   ４０．０係を含むオーステナイト系鋼であって、（ｉ）
   ＰＯ，０５％以下およびＢｏ、０１％以下の１種または
   ２種の元素、並びに（！りＴ ｉ Ｏ，３係以下、Ｖｏ
   、３係以下、Ｚｒ０．３％以下およびＮｂｏ、３％以下
   の１゜種または２種以上の元素を含み、かつ該（１）お
   よび（１１）群から選ばれる元素の添加量の関数である
   下記〔１３式および〔■〕式から算出されるパラメータ
   Ｐ１およびＰ２が下記〔■〕式を満たすことを特徴とす
   る高速炉々心構造用オーステナイト系鋼。 〔式中ＸｐはＰ含有量、ＸＢはＢ含有量、ＸＴｉはＴｉ
   含有量、Ｘ■は■含有量、ＸＺｒはＺｒ含有量、ＸＮｂ
   はＮｂ含有量（いずれも重量％）を表わす〕