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Helium chemistry in high-temperature gas-cooled reactors; Chemistry control for avoiding Hastelloy XR corrosion in the HTTR-IS system

高温ガス炉におけるヘリウム化学; ハステロイXRの健全性維持のための化学組成制御

坂場 成昭 ; 平山 義明*

Sakaba, Nariaki; Hirayama, Yoshiaki*

高温ガス炉の熱を用いた熱化学IS法による水素製造は、その製造過程で二酸化炭素を排出することなく大量の水素を製造することが可能である。原研では、日本初の高温ガス炉HTTRを化学プラントである熱利用システムに接続することを計画しているが、ISシステムは熱利用システムの有力候補である。HTTR-ISシステムにおける高温環境下で使用される構造材(例えば、HTTRの中間熱交換器伝熱管及びHTTRとISシステムを接続する高温二重管のライナ材に使用されるハステロイXR等)の構造健全性維持のためには、ヘリウム化学の確立による化学組成制御が必要不可欠であるが、実機で応用可能な知見は、先行高温ガス炉を含め、これまでに得られていない。そこで、本報では、ハステロイXRの腐食の一つである脱炭・浸炭を防止するため、不純物による影響を、クロムスタビリティ図を用いて個別に評価し、最も影響を与える不純物が一酸化炭素であることを明らかにした。加えて、ハステロイXRの腐食を防止するために化学組成の下限を明らかにした。この知見は、HTTR-ISシステムはもとより、将来高温ガス炉あるいは第四世代原子炉システムの候補であるVHTRに生かされることが期待できる。

The high-temperature gas-cooled reactor (HTGR) is capable of producing a massive quantity of hydrogen with no carbon dioxide emission during its production by a thermo chemical IS (Iodine-Sulphur) process. The HTTR (High Temperature Engineering Test Reactor), which is the first high-temperature gas-cooled reactor in Japan, will be connected to some heat utilization system in the near future. The thermo chemical IS process is one of the progressive candidates. The metallic material of the heat transfer tube of the intermediate heat exchanger (IHX) and liner in the concentric hot gas duct in the HTTR-IS system, which allows usage in high-temperature conditions, is the nickel-based high-temperature alloy Hastelloy XR. Since the coolant helium contains small amounts of impurities, it is necessary to control the chemical composition in order to minimize corrosion of the Hastelloy XR. Major corrosion phenomena of the Hastelloy XR are carburization, decarburization, oxidation, and carbon deposition depending upon the particular gas composition and its temperature. The carburization and decarburization phenomena can be restricted by controlling the carbon activity and oxygen partial pressure. This paper describes the effect of each coolant impurity for the carburization and decarburization. Also a chemical composition limit was evaluated to avoid the Hastelloy XR corrosion.

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