高速炉炉心構成要素用オーステナイト計およびフェライト系ステンレス鋼の水素透過特性評価

Hydrogen permeation through austenitic and ferritic/martensitic stainless Steels for Fast breeder reactor core components at elevated temperatures

井上 賢紀 ; 芹川 修道*; 高橋 英紀*; 鵜飼 重治  

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金属水素化物を装填した減速材要素をナトリウム冷却炉環境で使用すると、減速材要素内外の水素ガス分圧差に応じて水素が被覆管を拡散透過し、冷却材に移行する現象が発生する。減速材要素からの水素透過量評価に資するため、被覆管候補材料であるSUS316相当鋼(PNC316) と高強度フェライト/マルテナサイト鋼(PNC-FMS)の水素透過係数を実測して設計評価用物性値式として整備した。照射試験用に製作された被覆管を試料として天然水素ガスを内圧で印加し、水素透過速度を測定して、測定温度範囲は400700、測定圧力範囲は0.010.1MPaとした。PNC316とPNC-FMSに対する水素透過係数の関係式として下記の2式を得た。pnc316=6.96310の-8乗exp(-56745/RT)、pnc-FMS=2.22010の-8乗exp(-38831/RT)ここでは水素透過係数(mol-gas・1/m・1/s・Pa-0.5乗),Rは気体定数(8.31451J/molK),Tは温度(K)である。また、PNC316とPNC-FMSともに適用範囲は400700である。なお、水素ガス印加圧力をパラメータとした測定を行い、関係式のもとになった水素透過速度測定値が拡散律速であることを確認した。水素透過係数は関係式の不確かさ(統計誤差1相当)について、誤差要因を整理した結果、PNC316は14%、PNC-FMSは15%の値(相対値)を得た。

Dissociated hydrogen from metal hydrides in moderator elements in sodium cooled fast breeder reactors diffuses through cladding by a gradient of hydrogen gas Partial pressures and escapes into primary coolant system in service. In order to predict the amount of released hydrogen from the elements in design and performance analysis, hydrogen permeability was experimentally measured for austenitic (PNC316) and ferritic/martensitic (PNC-FMS) stainless steels. Specimens were prepared from the large diameter cladding tubes and then hydrogen permeability was measured at internal pressure ranges from 0.01 to 0.1 MPa and temperature ranges from 673 to 973 K. Hydrogen permeabilities of PNC316 and PNC-FMS were correlated into the following equations: = 6.963 10 exp( -(56745/RT)), = 2.220 10 exp( - (38831/RT)), where is natural hydrogen permeability in mol-gas m s Pa, R is gas constant (8.31451J/mo1K), T is temperature in K. The dependence on the pressures confirmed that diffusion process controlled hydrogen permeation. Uncertainties of the equations in one-standard deviation (1) were determined as 14% for PNC316 and 15% for PNC-FMS.