低温プラズマ存在下における被覆管材の水素透過挙動の評価

Evaluation of hydrogen permeation of fuel cladding materials under low energy plasma

小河 浩晃*; 木内 清

Ogawa, Hiroaki*; Kiuchi, Kiyoshi

革新的軽水炉燃料被覆管材の長期健全性にかかわる水素-金属相互作用に関する基礎検討として、原研開発材25Cr-35Ni系合金とNbライナー材、及び、比較材として従来被覆管仕様ステンレス鋼,現用軽水炉被覆管材ベース金属Zr、及びNiの5つの材料間の水素透過挙動の違いを、放射線励起効果の観点から基礎評価した。RF駆動型低温プラズマ源を用いた励起水素透過試験装置を整備して、同一水素分圧で低温プラズマと熱平衡の水素透過の温度依存性及び電場のバイアス効果等を解析した。低温プラズマ励起による水素透過の促進傾向が全材料の中低温領域に見られ、約530K以下の低温側の水素透過挙動は水素-欠陥相互作用に伴い変化した。NbはZrのような水素化物脆化を生じずに多量に水素が固溶出来る水素ゲッター材としての適性が確認された。電場効果では、電子引き込み条件に依存した水素透過能の増大傾向を示し、表面直上の低速電子励起効果の重要性が確認された。水素溶解の新モデルを構築して材料間の励起水素透過の促進傾向の違いを評価した。

The difference in hydrogen permeation among candidate cladding materials such as 25Cr-35Ni stainless steel, Nb liner and reference materials such as 18Cr-8Ni SS, and Zr of Zircaloy base metal were evaluated by low energy plasma permeation simulated to hydrogen excited by heavy neutron irradiation. RF excitation source was arranged for the experimental apparatus in cooperating with temperature and bias control. Comparing with the thermodynamic gas driven permeation (GDP) in the same hydrogen pressure, the hydrogen permeation rate by the plasma driven permeation (PDP) was markedly accelerated at low to medium temperature range. The temperature dependency showed a knick at around 530K due to hydrogen-defect interactions. Comparing with Zr, Nb showed the high hydrogen solubility without the degradation by hydrate formation that is required to a getter material. The difference in PDP among candidates was analyzed with a new dissolution model for hydrogen.