Characterization of mineral insulated cables at the WWR-K reactor; First results

Shaimerdenov, A.*; Gizatulin, Sh.*; Sairanbayev, D.*; Bugybay, Zh.*; Silnyagin, P.*; Akhanov, A.*; 冬島 拓実; 広田 憲亮; 土谷 邦彦

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 548, p.165235_1 - 165235_6, 2024/03

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2024.165235

原子炉のケーブルの絶縁材は、他の種類の設備における条件と比較して、混合条件(高温、放射線、圧力、湿度、過酷な環境)にさらされ、同時に長期間(約40-50年)の性能特性を維持する必要がある。このような条件下での照射の結果、ケーブル絶縁体の電気的特性は劣化し、電流損失が増大する。これは、放射線によって絶縁体に電荷が誘導されるためである。WWR-K原子炉では、2種類の無機絶縁材(MgOとAlO)を使用した信号ケーブルの耐放射線性に関する研究が開始された。これらの研究の一環として、2種類の無機絶縁材を使用した信号ケーブルの混合運転条件(放射線場と高温)における挙動について、新たな実験データを取得する。ケーブルに10cmまでの高速中性子を照射する予定である。照射温度は(50050)Cである。信号ケーブルの絶縁体の電気特性の劣化の研究は、リアルタイムで実施される。このために、実験装置の特別な設計と電気特性の炉内測定技術が開発された。本論文では、キャプセル設計の概略、キャプセル設計開発のための複雑な計算結果、予想される中性子フルエンス、鋼材中のdpa、炉内電気特性測定技術、今後の作業計画を示す。目標中性子フルエンスに到達するまでのケーブル照射時間は、約100日となる。本研究は、国際科学技術センターの助成を受けて実施されている。

化学的緻密化法でコーティングされた材料の沸騰硫酸環境下での耐食性評価および表面皮膜分析

広田 憲亮; 舟本 幸大*; 橘 幸男

材料, 72(3), p.255 - 261, 2023/03

https://doi.org/10.2472/jsms.72.255

沸騰硫酸環境下で優れた耐食性を有する金属材料を開発すべく、コーティングした材料の耐食性の評価と各種表面形態の違いを調査した。その結果、化学緻密化法により8回コーティング・焼結した(S-ZAC)SUS304は、12時間の腐食試験後の時点では問題なかったが、100時間の腐食試験後には腐食速度が急激に増加した。試料の断面微細構造解析では、CrOが完全に消失した一方で、少量のSiOのみが表面に残存していた。S-ZACの剥離メカニズムは、加熱による熱膨張で厚膜が湾曲しCrOとSiOの界面にクラックが発生したためと推測される。一方、コーティングと焼成を11回繰り返すことでCrOを高密度にコーティングしたSUS304(MS-ZAC)は、100h腐食試験後でもSiCと同様に優れた耐食性を示した。断面組織分析の結果、MS-ZACはS-ZACに比べ、CrO濃度が高く、SiO粒径が細かく、気孔が少ないことがわかった。特に、MS-ZACの皮膜維持のメカニズムは、皮膜全体の薄膜化に加え、CrO粒子層での積層構造の形成と推測される。

Voltage drop analysis and leakage suppression design for mineral-insulated cables

広田 憲亮; 柴田 裕司; 武内 伴照; 大塚 紀彰; 土谷 邦彦

Journal of Nuclear Science and Technology, 57(12), p.1276 - 1286, 2020/12

https://doi.org/10.1080/00223131.2020.1782280

ケーブル長に沿った電位分布の安定性を達成することを目的として、高温条件に供された時の電気的特性に対する無機絶縁(MI)ケーブルの材料の影響を伝送テストによって調査した。その結果、MIケーブルの絶縁材料として、酸化アルミニウム(AlO),酸化マグネシウム(MgO)が選定され、ケーブルに沿った電圧降下の発生を確認した。有限要素法(FEM)に基づいた解析を実行し、終端部で検出された電位の漏れを評価した。伝送テストと解析による電圧降下の収率は、AlOおよびMgO材料のMIケーブルにおいてよい一致を示し、FEM解析結果と実験結果との相対的な関係を再現した。電圧降下を抑えるため、同様のFEM解析を行い、芯線直径()と芯線間距離()を変化させた。の変化を考えた場合、MIケーブルの電位分布は、絶縁材料の直径()をで割って得られる比率が0.35で最小電圧降下となった。を変化させた場合、最小電圧降下は0.5のl/であった。

熱化学水素製造法における硫酸分解ガス環境下を模擬した新たな腐食試験装置の開発

広田 憲亮; 笠原 清司; 岩月 仁; 今井 良行; 大橋 弘史; Yan, X.; 橘 幸男

材料と環境, 68(6), p.137 - 142, 2019/06

https://doi.org/10.3323/jcorr.68.137

配管内の硫酸流量、装置内での硫酸分解反応の発生、炉心管内の温度分布を把握するために、新たに高温硫酸分解ガスの腐食試験装置を製作した。その上で、超音波流量計を用いて硫酸溶液の流速を常時測定した。結果として、試験装置の入口のSO濃度は、高温ガス炉水素コージェネレーションシステム(GTHTR300C)を想定した水素製造プラントでの硫酸分解器入口のSO濃度とほぼ同等あった。一方で、試験中に出口側のすりあわせ部からは硫酸の漏れが発生した。そこで、流体解析により出口側すりあわせ部の温度分布を調査し、出口側配管から0.05m以上離れた位置では継手部の温度がフッ素継手グリスを使用するのに十分低い温度となることが明らかとなった。実際に改良された炉心管を製作し、出口側のすりあわせ部で再度温度を測定した。その結果、ジョイントグリースの温度限界を下回る温度であり、流体解析における温度分布とほぼ同様となっていた。その後、これまで硫酸の漏洩は発生していない。

A Concept of intermediate heat exchanger for high-temperature gas reactor hydrogen and power cogeneration system

広田 憲亮; 寺田 敦彦; Yan, X.; 田中 康平*; 大谷 章仁*

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 7 Pages, 2018/07

A new conceptual design of intermediate heat exchanger (IHX) is proposed for application to the gas turbine high temperature reactor system (GTHTR300C) which is being developed by JAEA (Japan Atomic Energy Agency). The GTHTR300C cogenerates hydrogen using the iodine-sulfur (IS) hydrogen production process and electric power using gas turbine. The IHX is used to transport high temperature heat from the nuclear reactor to the hydrogen plant. The IHX proposed in this paper is a horizontal design as opposed to conventional vertical design. Therefore, JAEA investigated the advantage of the horizontal IHX and the economic evaluation when scaling up to GTHTR300C. To meet the performance requirement, both thermal and structural designs were performed to select heat transfer tube length, tube bundle diameter, tube header arrangement, and tube and shell support in a horizontal pressure vessel. It is found that the length of the heat exchanger tube can be shortened and the superalloy-made center pipe structure can be eliminated, which results in reducing the quantity of construction steel by about 30%. Furthermore, the maximum stress concentration in the tubes is found to be significantly reduced such that the creep strength to withstand continuous operation is extended to 40 years, equaling the nuclear reactor life time, without replacement.

照射試験開発棟における試験装置の設備整備,2

柴田 裕司; 中野 寛子; 鈴木 善貴; 大塚 紀彰; 西方 香緒里; 武内 伴照; 広田 憲亮; 土谷 邦彦

JAEA-Testing 2017-002, 138 Pages, 2017/12

JAEA-Testing-2017-002.pdf:9.3MB

JMTRの改修・再稼動後の利用性向上の一環として、照射試験開発棟において、炉外試験に使用する実験装置の整備を行った。当初、照射試験開発棟の設備整備にあたっては、照射キャプセルの組立て、照射前試料の材料試験や材料検査・分析などが行える装置の整備を行い、試験データの蓄積を進めていた。一方、東日本大震災以降、地震の影響による既存試験装置の改修や耐震対応を行った。さらに、経済産業省の資源エネルギー庁が進める原子力分野における基礎基盤研究の充実を図るため、軽水炉安全対策高度化に係る研究開発やつくば特区に係るMo/Tc製造技術開発を実施するための試験設備の整備を進めた。本報告書は、照射試験開発棟において平成23年度から平成28年度にかけて、基礎基盤整技術開発のために新たに整備した試験装置等について、装置の概要やその操作方法、並びに照射試験開発棟で安全に炉外試験が実施できるよう基本的な管理要領についてまとめたものである。

Development of cotton based adsorbent for the treatment of industrial waste waters

Parajuli, D.; 広田 耕一; 瀬古 典明; 大渡 啓介*

Proceedings of 12th International Conference on Environmental Science and Technology (CEST 2011), p.B835 - B842, 2011/09

綿に電子線を照射してメタクリル酸グリシジル(GMA)をグラフト重合させた後エチレンジアミンなど官能基を修飾して得られた吸着材を用いて、都市鉱山廃液中に含まれるパラジウムの効率的な分離回収について試験を行った。吸着材の合成では、吸収線量,GMA濃度,反応時間などをパラメータとしたほか、乳化剤として日本杉から抽出した精油を用いて、グラフト重合に最適な条件を調べた。その結果、精油濃度50ppm,GMA濃度2%,吸収線量20kGy,反応温度40度,反応時間60分の条件で200%超のグラフト率が得られた。また、線照射した杉精油を用いると効率的にグラフト重合できることがわかった。精油に含まれる成分をGC/MSにて分析したところ、芳香族系のテルペンにOH基が付加している物質が多く検出されたことから、線照射により水分子から生じたOHが精油成分に反応して生成した物質がGMAの効率的な分散に寄与していると考えられる。

Effective separation of palladium from simulated high level radioactive waste

Parajuli, D.; 広田 耕一; 瀬古 典明

Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 288(1), p.53 - 58, 2011/04

https://doi.org/10.1007/s10967-010-0870-4

Radioactive high-level liquid waste generated during the reprocessing of spent nuclear fuel can be a rich source of a number of rare metals. Among several metals of interest, recovery of fission palladium is of particular interest for its high concentration (2000 ppm). Also, 83% of fission palladium is of stable isotopes and remaining 17% of radioactive Pd also possesses poor intrinsic radioactivity that is acceptable for several industrial applications. However, selective and effective separation of the desired fission-element is always a big challenge for even the highly efficient extractants in normal conditions lose their metal binding property when exposed to the radiation. Considering the rigidity of biomass-based adsorbents in harsh conditions, Japanese cedar wood powder was modified to thiamide-type adsorbent, CWP-TU, by microwave heating and tested for the adsorption of Pd(II) from nitric acid in normal and irradiation conditions. The results show that CWP-TU not only possesses distinct selectivity for Pd(II) in simulated high-level liquid waste, but also exhibits high loading capacity under irradiation environment as in normal condition.

Application of electron beam to environmental conservation

広田 耕一; Parajuli, D.; 瀬古 典明

no journal, , 

フェノールを利用して日本杉から抽出したリグノフェノールに電子線を照射してエチレンジアミン又はトリメチルアミンを修飾した吸着材を用いて、都市鉱山に含まれるAu(III), Pt(IV)及びPd(II)の回収に関する研究を行った。その結果、合成した吸着材は、都市鉱山廃液中に含まれるCu(II), Co(II), Fe(III), Ni(II), Zn(II)などの金属共存下においても、Au(III), Pt(IV)及びPd(II)に対して選択性を保持し、トリメチルアミンを修飾した場合その最大吸着量は吸着材1kgあたり各々845, 254, 78.4gであった。バイオマス由来のリグノフェノール吸着材は、既存の樹脂に比べ吸着能及び選択性ともに優れることなどから、貴金属回収を目的とした環境調和型の高機能材料して期待できる。

杉を利用した高レベル放射性廃液からのPd(II)分離回収に関する研究

広田 耕一; Parajuli, D.; 瀬古 典明

no journal, , 

白金族元素は、化学触媒作用,優れた耐食性,高電気伝導度などの特長を有することから、自動車排ガス浄化用触媒やパソコンなどの電子・電気機器に使用されている。一方、天然資源に乏しい日本ではそのほとんどを輸入に頼っており、安定的な供給が国家戦略上非常に重要である。原子力発電所からの使用済核燃料の再処理により発生する高レベル放射性廃液には、パラジウム(Pd),ロジウム(Rh)及びルテニウム(Ru)等の有用金属が存在する。本研究では、高レベル放射性廃液からPdを分離回収することを目的に、日本杉を基材に用いてアミド型の吸着剤を合成し、その吸着能等について調べた。その結果、500kGyの線照射下におけるチオアミド型杉吸着剤のPd(II)に対する最大吸着量(1.0mol/kg)は、市販の樹脂(Diaion CR11)の0.12mol/kgに比べ非常に高い値であることから、Pd(II)に対する吸着能が高いばかりでなく、耐放射線性にも優れることがわかった。