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「核融合炉第一壁の電磁的非破壊検査」の経過報告

テーマ代表者: 宮 健三 (原子力工学研究施設)

1. 序

核融合炉はその核融合反応にトリチウムを用いるため、トリチウムインベントリの観点から真空容器や第一壁における

・ 材料の劣化

・ き裂の発生

に対する関心はますます高まっている。 本研究ではこの背景に基づき、核融合炉構造材料用 フェライト鋼(A533B 低合金鋼、SUS410)における

・磁気力測定による磁性材料の劣化診断に関する研究

・磁気特性測定による材料の疲労損傷評価に関する研究

を実施した。これにより得られた結果及び知見を本報告書にまとめる。

2. 研究の進捗状況(装置の改良等を含む)

(1) 保磁力測定法による材料熱処理履歴の同定

ここでは A533B 低合金鋼のトロイダル形状試験片に数種類の熱処理を加え、 その磁気的ヒステリシスループの測定を行なった。 この測定結果より、 保磁力 Hc と機械的硬さの間には強い相関があることが分かった。 A533B, SUS410 ともに保磁力はビッカース硬さに対して 線形の依存性を有していることから、 保磁力 Hc が非破壊診断の実用にとって 最も有効なパラメータであることの確証を得るとともに、 Hc の測定値からビッカース硬さを予測することが可能であることが分かった。 また、 B-H マイナーループは B-H メジャーループと 相似であり、 そのアスペクト比は熱処理温度に依存しないという知見が得られた。 このことより、本手法を実際の非破壊診断に応用する際にも、 測定に用いる磁場は微弱磁場で十分であるということが分かった。 さらに、試料に作用する電磁力変化測定の NDEへの応用方法を提案するとともに、 この手法の妥当性の検証を行なった。 その結果、本手法は磁気開ループや微弱磁場という条件下においてさえも、 材料の磁気的特性変化に対して高感度性を有することが分かった。 よって本手法を用いることにより、熱処理によってできた 各試料間の材料的な差異を明確かつ体系的に 区別することが出来る。

(2) 磁気的非破壊診断手法による微細構造変化の検出

本研究では高サイクル疲労による微細構造変化を検出する手法として 磁気的非破壊診断手法を応用した。 この手法を用いた測定により、応力レベルが 降伏応力以下の場合にも、 磁気的 NDE 手法は疲労損傷に対して十分な高感度性を有するということが分かった。 またTEM 観察により、 繰り返し荷重によるフェライト相中の転位f密度の増加と 析出物の分割を確認することが出来た。 これにより、 材料の微細構造の変化はヒステリシス曲線の変化や 残留磁束密度 Br の急激な減少など、 磁気的特性との強い相関を示すことが分かった。 さらに塑性変形した A533B 試験片の磁気特性変化の 測定結果についても考察した。 B-H 曲線は材料の塑性変形により大きく変化し、 保磁力 Hc も、 残留歪みが限界値(ここで転位の飽和が起こったと考えられる)に達するまで、 残留歪みの上昇とともに系統的に増加した。 また降伏応力以上の領域においては、 試料の微弱な磁化変化を SQUID の走査によって検出して Luders 帯を求めた。 本研究の結論を以下にまとめらる。

(1) A533B 原子炉圧力容器鋼の磁気的特性は、 焼きなましや降伏応力もしくは塑性変形以下での疲労による 微細構造の変化に対して非常に感度が高く、 磁気測定に基づく非破壊診断は有望な手法であると考えられる。

(2) 磁気力測定に基づく非破壊診断は、微弱磁場の条件下でも感度が高く、 磁気非破壊診断を実用体系に適用する場合の有力な候補であると考えられる。

3. 今後の予定

今後の研究計画としては、 SQUID 磁束計を用いた磁場計測の高精度化と高空間分解能により、 本研究で提案した磁気非破壊診断の実用体系への適用可能性を検討する予定である。

4. 発表論文リスト

(A) 学位論文等

  1. Attila Gilanyi, "Nondestructive Evaluation of Damage of Structural Steels based on Magnetic Property Change" (磁気特性変化に基づいた構造用鋼の損傷の非破壊評価), 東京大学大学院工学系研究科博士論文(1997年9月).
  2. 内一 哲哉, "Electromagnetic Interaction Between High Tc Superconductors and Tokamak Plasmas" (高温超電導体とトカマクプラズマとの電磁相互作用), 東京大学大学院工学系研究科博士論文(1998年3月).
  3. 陳 振茂, "Enhancement of ECT Technique by Probe Optimization and Reconstruction of Cracks" (プローブの最適化及びき裂の再構成による渦電流探傷法の高度化), 東京大学大学院工学系研究科博士論文(1998年3月).
  4. 羅 雲, "Evaluations and Improvements of Levitation Properties of High Tc Superconducting Magnetic Bearings" (高温超電導磁気軸受における浮上特性の評価と改善), 東京大学大学院工学系研究科博士論文(1998年3月).
  5. 高瀬 健太郎, 「磁束量子動力学法による超電導体臨界電流密度の予測」, 東京大学大学院工学系研究科修士論文(1998年3月).
  6. 中山 匡, 「高温超電導線材の交流損失及び冷却安定性の評価」, 東京大学大学院工学系研究科修士論文(1998年3月).
  7. 杉山 浩隆, 「磁束量子動力学法による高温超電導体の磁化の評価」, 東京大学工学部システム量子工学科卒業論文(1998年3月).
  8. 遊佐 訓孝, 「高温超電導プラズマ安定化コイルの小型トカマク実験置への適用」, 東京大学工学部システム量子工学科卒業論文(1998年3月).
(B) 国外学会誌等
  1. J. R. Bowler, Y. Yoshida and N. Harfield: "Vector-potential boundary integral evaluation of eddy-current interaction with a crack", IEEE Trans. Magn., Vol.33, No.5 (1997) 4287-4294.
  2. T. Uchimoto, Y. Fukuzaki, N. Ikatsu and K. Miya: "Study on the application of high Tc superconductors to improve the positional stability of tokamak plasmas", (IAEA-CN-64/GP-8), FUSION ENERGY 1996, Vol.3 (1997) 531-537.
  3. Y-H. Zhou and K. Miya: "Mechanical behaviours of magnetoelastic interaction for superconducting helical magnets", Fusion Engrg. Design, Vol.38 (1998) 283-293.
  4. G. Chen, A. Yamaguchi and K. Miya: "Signal processing for detection and characterization of defects from composite eddy current signals", INSIGHT, Vol.39, No.11 (1997) 785-789.
  5. Radu C. Popa, K. Miya and M. Kurokawa: "Optimized eddy current detection of small cracks in steam generator tubing", J. Nondestructive Evaluation, Vol.16, No.3, (1997, Plenum Press) 161-173.
  6. H. Fukutomi, T. Takagi, J. Tani, J. Shimone, Y. Harada, G. Chen and K. Miya: "Evaluation of ECT signals due to SG tube crack with deposit", Rev. Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol.16, (Plenum Press, New York, 1997) Eds: D. O. Thompson and D. E. Chimenti, 1315-1322.
  7. A. Gilanyi, Z. Chen and K. Miya: "Electromagnetic field calculation by simulation charges supported wavelet-Galerkin method", Stud. Appl. Electromagn. Mech. 11 (1997) 162-171.
  8. K. Demachi and K. Miya: "Fluxoid dynamics simulation in type-II superocnductor", Stud. Appl. Electromagn. Mech. 11 (1997) 155-161.
  9. T. Takagi, M. Uesaka and K. Miya: "Electromagnetic NDE research activities in JSAEM", Stud. Appl. Electromagn. Mech. 12 (1997) 9-16.
  10. R. C. Popa, K. Miya nad M. Kurokawa: "Optimized design of differential ECT probes for tubing inspection", Stud. Appl. Electromagn. Mech. 12 (1997) 185-192.
  11. Z. Chen, K. Miya, Y. Yoshida and M. Kurokawa: "Detectability evaluation of new ECT probes using exciting magnetic field", Stud. Appl. Electromagn. Mech. 12 (1997) 207-214.
  12. J. Pavo, A. Gasparics, I. Sebestyen, G. Vertesy, C. S. Daroczi and K. Miya: "Eddy current testing with fluxset probe", Stud. Appl. Electromagn. Mech. 12 (1997) 215-222.
  13. R. Shinagawa, Y. Yoshida, K. Demachi, K. Miya, M. Sawamura and I. Itoh: "Computation on superoconducting shielding current with anisotropy of critical current density", Proc. Third Int. Conf. Electromagn. Field Problems and Applications (ICEF '96), (International Academic Publishers, 1997) 311-314.
  14. Y. Yoshida, J. R. Bowler and K. Miya: "Computation of eddy current crack interaction based on vector potential integral formulation", Proc. Third Int. Conf. Electromagn. Field Problems and Applications (ICEF '96), (International Academic Publishers, 1997) 334-337.
  15. T. Takagi, J. R. Bowler and Y. Yoshida: "Electromagnetic Nondestructive Evaluation", IOS Press, 1997.
  16. K. Miya, H. Kobayashi, K. Koizumi, K. Hada and T. Shimakawa: "Construction of structural design guidelines for vessel and other components", Abstr. 4th Int. Symp. Fusion Nuclear Technology (ISFNT-4), (1997) 38.
  17. T. Takagi, Y. Yoshida, P. Ruatto and L. V. Boccacini: "Usefulness of electromagnetic analysis in fusion reactor", Abstr. 4th Int. Symp. Fusion Nuclear Technology (ISFNT-4), (1997) 39.
  18. T. Nakayama, Y. Yoshida and K. Miya: "Numerical prediction of quench behavior of high-Tc superconducting cable", Abstr. 4th Int. Symp. Fusion Nuclear Technology (ISFNT-4), (1997) 119.
  19. Y. Yoshida and K. Miya: "Scaling law for magnetoelastic vibration of thin shell components in magnetic fusion reactors", Abstr. 4th Int. Symp. Fusion Nuclear Technology (ISFNT-4), (1997) 398.
  20. Y. Fukuzaki, T. Uchimoto, Y. Yoshida and K. Miya: "Evaluation of flux flow resistivity of high Tc superconducting cable in light of its application to fusion reactors", Abstr. 4th Int. Symp. Fusion Nuclear Technology (ISFNT-4), (1997) 399.
  21. A. Gilanyi, K. Morishita, T. Sukegawa, M. Uesaka and K. Miya: "Magnetic nondestructive evaluation of ferromagnetic steels in nuclear fusion energy systems", Abstr. 4th Int. Symp. Fusion Nuclear Technology (ISFNT-4), (1997) 408.
  22. Y. Yoshida, R. Shinagawa, M. Rabara and K. Miya: "Evaluation of anisotropy of critical current density of Bi-based high Tc superconductor", Digest Int. Symp. Non-linear Electromagnetic Systems (ISEM-Branunschweig), (1997) MPA2-3.
  23. Z. Chen and K. Miya: "A knowledge based approach for fast computation of crack signals", Digest Int. Symp. Non-linear Electromagnetic Systems (ISEM-Branunschweig), (1997) MPB1-21.
  24. Y. Luo, Y. Yoshida, K. Miya and H. Higasa: "A hysteresis hardening effect for levitation force in HTSC magnetic bearing", Digest Int. Symp. Non-linear Electromagnetic Systems (ISEM-Branunschweig), (1997) WPB1-9.
  25. W. Cheng, Z. Chen, K. Miya and Y. Yoshida: "Numerical evaluation of ECT signal due to multiple cracks", Digest E'NDE-Reggio Calabria, 35-36, 1997.
  26. Z. Chen, K. Miya and M. Kurokawa: "Reconstruction of crack shapes using a newly developed ECT probe", Digest E'NDE-Reggio Calabria, 65, 1997.
  27. R. C. Popa and K. Miya: "A data processing and neural network approach for the inverse problem in ECT", Digest E'NDE-Reggio Calabria, (1997) 82-83.
  28. Rabara, Yoshida, Shinagawa, Miya: "Anisotropic dependence of critical current density on magnetic field for Ag-sheathed Bi2Sr2Ca2Cu3Ox superconductive tape", Abstr. 4th Japanese-Czech-Slovak Joint Semin. J. Electrical Engin. Vol.48 (1997) 185.
  29. Y. Luo, S. Shindo, Y. Yoshida and K. Miya: "Influence of alternating magnetic field on levitation in HTSC magnetic bearing", Abstr. Int. Symp. Superconductivity, Oct. 27-30, 1997, Gifu, Japan (1997) 191.
  30. Rabara, Yoshida, Miya: "Measurement and Analysis of angular dependence of critical current density on magnetic field in Bi2223 superconductive tape", Abstr. 10th Int. Symp. Superconductivity (ISS'97 Gifu) (1997) 109.
  31. S. Shindo, Y. Luo, Y. Yoshida, K. Miya: "Investigation of levitation properties in HTSC magnetic bearing", Proc. 1st Vietnam-Japan Symp. Advances in Applied Electromagnetics and Mechanics, Jan. 19-21, 1998, Hochiminh City, Vietnam (1998).
  32. Y. Yoshida, K. Miya and Z. Chen: "Identification of a crack in non-magnetic steel based on eddy current testing", Proc. 1st Vietnam-Japan Symp. Advances in Applied Electromagnetics and Mechanics, Jan. 19-21, 1998, Hochiminh City, Vietnam (1998).
  33. K. Miya and Y. Yoshida: "Magnetomechanical problems of nuclear fusion reactor", Proc. 1st Vietnam-Japan Symp. Advances in Applied Electromagnetics and Mechanics, Jan. 19-21, 1998, Hochiminh City, Vietnam (1998).
  34. T. Yamada, T. Uchimoto, Y. Yoshida and K. Miya: "Application of high Tc superconductor to passive controle of plasma position of nuclear fusion reactor", Proc. 1st Vietnam-Japan Symp. Advances in Applied Electromagnetics and Mechanics, Jan. 19-21, 1998, Hochiminh City, Vietnam (1998).
  35. K. Demachi and K. Miya: "Development of 3-dimensional simulation code for fluxoid dynamics of type II superconductor, Abstr. 11th Conf. Computation of Electromagnetic Field, November 2-6, (1997, Rio, Brazil) 751-752.
  36. K. Miya: "Numerical simulation of fluxoid dynamics in high Tc superconductor Bi2Sr2Ca2Cu3O9+x, Proc. Int. Symp. Theoretical Electrical Engineering, June 9-11, (1997, Palermo, Italy) 4-7.
  37. Y. Sasano, K. Miya, S. Nagaya, M. Minami and K. Kawashima: "Evaluation of Magnetic Force Characteristics in High-Tc Superconducting Flywheel", Abst. 10th Int. Symp. Supercond. (ISS'97)}, (Oct 27-30, 1997) 188.
(C) 国内学会誌等
  1. 陳, 宮: 「ECTプローブ検出性能の簡易評価法」, 日本電器学会論文集 E編, 117巻, 12号, 1997, 637-643.
  2. 福崎, 内一, 吉田, 宮: 「高温超電導バルク材の実効的磁束フロー抵抗率測定手法 -- パルス励振法 --」, 低温工学, Vol.32, No.7 (1997) 336-344.
  3. 羅, 吉田, 宮, 樋笠: 「高温超電導磁気軸受における浮上特性の減衰とその改善」, 日本機械学会論文集 C編, 64巻, 618号 (1998) 495-501.
  4. 陳, 宮, 黒川: 「ECT探傷における傾斜きずの評価」, 日本AEM学会誌, Vol.5, No.4, 86-92, 1997.
  5. 吉田, 高木 敏行: 「電磁構造連成現象」, 計算工学, Vol.2, No.4 (1997) 226-232.\\
  6. 内一, 山田, 吉田, 宮: 「高温超電導トカマクの炉心設計」, 日本原子力学会「1997年秋の大会」予稿集 (1997) B2, Vol.I, 85.
  7. 程 衛英, ?????????? : 日本原子力学会「1997年秋の大会」予稿集 (1997) ???
  8. 中山, 吉田, 宮: 「変動磁場下における高温超電導線材の安定性の評価」, 低温工学会講演論文集 (1997 低温工学協会) ??page??.
  9. 吉田, 中山, 山田, 内一, 宮: 「高温超電導プラズマ安定化コイルの電磁・熱連成解析」, 第57回1997年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集 (1997) E2-17, 182.
  10. 新藤, 羅, 吉田, 宮: 「変動磁場による HTSC 磁気軸受の浮上特性への影響」, 第57回1997年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集 (1997) E1-26, 96.
  11. 高瀬, 出町, 宮: 「高温超電導体における非線形電磁現象の磁束量子動力学に基づいた数値解析」, 第57回1997年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集 (1997，低温工学協会) A1-1, 1.
  12. 出町, 高瀬, 宮: 「Bi-2212単結晶における照射効果の数値解析」, 第57回1997年度秋季低温工学・超電導学会講演概要集 (1997，低温工学協会) E1-8, 78.
  13. 宮: 「ITER工学設計活動の現状と今後の動向: 工学設計と R & D」, プラズマ・核融合学会第14回年会予稿集 (1997, プラズマ・核融合学会) 30-31.
  14. 出町, 宮: 「磁束量子動力学法による超電導電磁現象の解析 (日本応用磁気学会第104回研究会講演論文集): 磁性材料をとりまく最近の磁界解析技術の動向と展望」, (1998, 日本応用磁気学会) 65-70.
Last modified: Fri Jul 3 14:13:50 JST 1998