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Studies of super-critical CO$$_{2}$$ gas turbine power generation fast reactor(Contract research, Translated document)

超臨界CO$$_{2}$$ガスタービン発電高速炉の技術開発(受託研究・翻訳資料)

木曽原 直之; 小竹 庄司; 阪本 善彦

Kisohara, Naoyuki; Kotake, Shoji; Sakamoto, Yoshihiko

(1)超臨界炭酸ガスタービンシステムを採用した2次ナトリウム系削除型SFRプラントの設計を行った。発電効率は約42%であり、2次ナトリウム系及び蒸気システムを保有するSFRに比べ、原子炉建屋容積は約20%低減する。(2)超臨界炭酸ガスループを模擬した試験装置を製作した。臨界点近傍で圧縮機の高い効率が得られることを確認した。PCHE再生熱交換器の温度効率は98-99%であり、高い伝熱性能を示した。運転性試験では、不安定現象は発生しなかった。(3)ナトリウムと炭酸ガスの反応試験を行った。連続的な反応は、570-580$$^{circ}$$C以上で発生し、反応生成物はNa$$_{2}$$CO$$_{3}$$とCOであった。反応熱は50-75kJ/Na-molであった。(4)シェルアンドチューブ型ナトリウム/炭酸ガス熱交換器における、伝熱管1本ギロチン破断時の安全解析を行った。この結果、1次ナトリウム系の圧力最大値は構造健全性に影響ないこと,炉心への気泡移行による反応度上昇も炉心安全に影響のないことがわかった。また反応生成物による炉心閉塞しない見通しである。(5)超臨界炭酸ガス環境下において材料腐食試験を行った。600$$^{circ}$$C-5000hrでの12Cr鋼、及び316FRの腐食量はそれぞれ、180g/m$$^{3}$$, 5g/m$$^{3}$$であり、316FRは高い耐食性を示した。

(1) Preliminary design of an SFR that adopts a super-critical CO$$_{2}$$ turbine has been made. This SFR system eliminates secondary sodium circuits. The power generation efficiency of the SFR is 42%. Compared to a SFR that adopts a steam cycle with secondary sodium circuits, the reactor building volume of the SC-CO$$_{2}$$ SFR is reduced by 20%. (2) A super-critical CO$$_{2}$$ cycle test loop was fabricated. The high efficiency of a compressor is confirmed near the super-critical region. The temperature efficiencies of PCHE recuperators are 98-99% (hot leg). No flow instability is observed in the loop operation. (3) Na/CO$$_{2}$$ Reaction tests were executed. Continuous reaction occurs more than 570-580$$^{circ}$$C. Reaction products are Na$$_{2}$$CO$$_{3}$$ and CO. The reaction heat is 50-75kJ/Na-mol. (4) Safety calculation was done for 1 DEG tube failure in Na/CO$$_{2}$$ heat exchanger. The maximum pressure in the primary circuit is below the allowed level. The void reactivity of the reactor core also has no affect. The reaction product brought no sodium flow blockage in fuel assemblies. (5) After an exposure of 600$$^{circ}$$C-5000 hours in super-critical CO$$_{2}$$ environment, the corrosion of 12Cr steel and 316FR were 170g/m$$^{2}$$ and 5g/m$$^{2}$$, respectively. 316 FR shows a good corrosion proof property.

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