Active chemistry control for coolant helium applying high-temperature gas-cooled reactors

高温ガス炉冷却材に適用する化学的不純物アクティブ制御技術の開発

坂場 成昭 ; 濱本 真平  ; 竹田 陽一*

Sakaba, Nariaki; Hamamoto, Shimpei; Takeda, Yoichi*

高温ガス炉の中間熱交換器の伝熱管等に使用される高温材料の長寿命化は、高温機器の供用期間中の交換頻度を下げ、経済性を向上させるために重要である。一方、高温材料の健全性は冷却材ヘリウム中の化学的不純物によるところが大きいため、化学的不純物を原子炉運転中に適切に制御することが必要である。従来、冷却材中の化学的不純物は、炉心に使用される黒鉛の酸化を抑制する観点から、可能な限り化学的不純物を除去するという方針で制御されてきた。しかし、この方法では、高温材料の熱物性劣化あるいは構造劣化を制御することができず、材料に対して過剰な裕度を持たせた設計が必要であった。そこで、本報では、HTTR実験値をリファレンスデータとして使用し、解析により高温材料ハステロイXRの熱物性劣化をもたらす炭素析出及び強度劣化をもたらす脱炭を抑制可能な化学的不純物の制限値を提案した。制限値を導出するにあたっては、純化設備及び注入設備に過剰な負担を強いることがない化学的不純物組成とした。また、提案する制限値を逸脱した場合には、一酸化炭素を付加することにより強度劣化をもたらさない安定領域に導くことができることを見いだし、その必要濃度が10ppmであることを明らかにした。提案する化学的不純物アクティブ制御法は、将来高温ガス炉の経済性向上につながることが期待できる。

Lifetime extension of high-temperature materials utilized, for instance, at the heat transfer tubes of the intermediate heat exchanger of high-temperature gas-cooled reactors is important because high-cost primary equipment will be continued its operation during reactor lifetime without replacing. Since lifetime of high-temperature materials almost depends upon the chemistry conditions in the coolant helium, it is necessary to establish an active chemistry control methods. This technology can maintain adequate chemical conditions during reactor operation. In the past, helium chemistry has been controlled by the passive chemistry control technology in which chemical impurity in the coolant helium removes as low concentration as possible, as does Japan's first high-temperature gas-cooled reactor HTTR. In this study, carbon deposition which could be occurred at the surface of the heat transfer tube and decarburization of the high-temperature material of Hastelloy XR were evaluated by referring the chemistry data obtained by the HTTR. In addition, the chemical composition to be maintained during the reactor operation in order to keep the structural integrity and thermal efficiency of the heat transfer tube was proposed by evaluating not only core graphite oxidation, but also carbon deposition and decarburization. It was also identified when the chemical composition could not keep adequately, injection of 10 ppm carbon monoxide could effectively control the chemical composition to the designated stable area where the high-temperature materials can keep their structural integrity beyond the assumed duration. The proposed active chemistry control technology is expected to contribute economically to the purification systems of the future very high-temperature reactors.