高速炉用被覆粒子型燃料の被覆層材特性に関する検討(その1)

Study on coated layer material performance of coated particle fuel FBR (I)

永沼 正行  ; 水野 朋保

not registered; not registered

「ヘリウムガス冷却被覆粒子型燃料高速炉」は、高速炉においても、(1)ヘリウムの高温安定性から高熱効率の直接ガスタービン発電の適用が期待できること、(2)被覆粒子型燃料は熱容量が大きく、かつ、ドップラー係数が大きい特性を活かし厳しい仮想事故においても炉心溶融回避の可能性が期待できること等の点から、実用化戦略調査研究(以下、FS)における有望な候補概念の1つと考えられ、現在設計研究を進めているところである。被覆粒子型燃料の設計としては、高温ガス炉燃料でSiCを強度層、PyCをバッファー層・表面保護層としたTRISO燃料が多くの実績を有するが、高速炉への適用を考えた場合、経済性の観点から高燃焼度(取出平均燃焼度15万MWd/t)を指向すること、また、高速中性子照射量が大きく最外層PyCが形状安定性の理由で使用できないことから、従来より高強度の被積層材料、及び、適切な表面保護層材料の選定が要求される。しかし、SiC以外のセラミックス被覆の強度特性については現状十分なデータがない状況であり、また、表面保護層として高融点金属が候補であるが使用実績を含め十分な知見が無い点が課題である。以上の背景から、FSでの要求を視野に入れた被覆層材の調査を行ったところ、強度層としてTiN, SiC, SiNが耐熱性、強度特性の点で有望であることがわかった。そこで、これらの候補材について強度特性試験を実施するとともに、表面保護層の候補となる高融点金属(W, Mo)の蒸着特性を把握するため試験を実施することとした。今回の検討の結果、以下の結論が得られた。(1)TiN被覆について、現状技術で容易に形成できる薄膜被覆の室温強度特性を実験に基づき評価した結果、強度評価値のワイブル係数は17.522.3と一般的なセラミックスの値より大きい結果が得られた。上記の結果に基づき破損確率が10以下となる強度を評価した結果、35.6100.1kgf/mが得られ、TiNは被覆粒子型燃料の強度層として有望な材料であることがわかった。また、SiN被覆についても、強度的には期待できる可能性を示す結果であった。(以下略)

Design studies of "Helium Gas Cooled Coated Particle FueI FBR" are being conducted since it has the following superior features, and it is considered to be one of the most promising concepts in Feasibility Study on Commercialized Fast Reactor Cycle System in Japan (F/S). (1)Helium gas as coolant is applicable to a high temperature direct gas turbine cycle with high thermal efficiency, (2)Large heat capacity and large Doppler coefficient induced by coated layer material may achieve the attractive core safety characteristic such as so-called "melt down proof" at the sever accident ("Depressurization accident + Without scram + Natural circulation"). As for the conventional design of coated particle fuel, TRISO fuel with SiC as main layer and PyC as buffer and surface protect layers has expressed a lot of excellent achievements in High Temperature Gas Reactor studies. However, it is impossible to directly use this fuel design in FBR, because high burn-up (150GWd/t) aimed for economics demands higher strength, and high fast neutron fluence makes it difficult to adopt PyC as surface protect layer due to its dimensional instability in fast neutron spectrum. Therefore, materials with higher strength for main layer and alternative material for surface protect layer are necessary. Nevertheless, at present situation usable data of strength of coat ceramics besides SiC is scarce, and refractory metals as possible candidates of surface protect layer have little experience in fabrication. Based on these backgrounds, we have investigated characteristics of potential candidate coat materials (for main layer and surface protect layer) to understand the possibility of coating applications to the above described design concept in F/S, have selected some potential candidates, and have conducted tests of strength properties for main layer materials and tests of vapor deposition properties for surface protect layer materials. The results of these examinations come to ...