高温ガス炉冷却材中の化学的不純物挙動に関する研究(学位論文)

Helium chemistry for high temperature gas-cooled reactors (Thesis)

坂場 成昭 

Sakaba, Nariaki

高温ガス炉において冷却材ヘリウム中の化学的不純物挙動を把握し、制御することは、炉心構成材に使用される黒鉛の構造健全性維持,中間熱交換器に使用される高温材料の脱炭による構造強度劣化抑制及び炭素析出による熱物性劣化抑制に極めて重要である。また、供用期間中の長期安全・安定運転のみならず、将来高温ガス炉で想定される中間熱交換器の交換回数の削減,ヘリウム純化設備の簡素化は、経済性向上の観点から重要である。そこで、日本初の高温ガス炉HTTRにおける化学的不純物の実測値をもとにその挙動を解明し、電力水素併産型将来高温ガス炉GTHTR300Cにおける化学的不純物濃度の制限及びその制御法を提案した。本研究では、HTTRの原子炉出口温度950Cまでの化学的不純物に対し、放出挙動の解明,純化能力の把握,黒鉛構造物及び断熱材からの放出量評価,中間熱交換器伝熱管における水素透過量を評価した。この評価結果をもとに、炉心におけるラジカル反応等の複雑な化学平衡状態を解明し、ハステロイXR製伝熱管の脱炭による構造強度劣化や炭素析出による熱伝導率などの熱物性劣化を防ぐことが可能な不純物濃度範囲を明らかにし、実機における炉心の化学状態に呼応しながら化学的不純物を注入するアクティブ制御法を提案した。本研究により、将来高温ガス炉のシミュレーション技術の高度化が可能となり、原子炉のスケールアップに対し、大規模な技術システム開発の効率化が期待できる。

Chemistry control is important for the helium coolant of high-temperature gas-cooled reactors (HTGRs) because impurities cause oxidation of the graphite applied to the core structure and corrosion of high-temperature materials utilized at the intermediate heat exchanger (IHX). This thesis describes the helium chemistry which should be maintained adequately during reactor operations not only for the safety and stability of operations, but also for the increase of economic competitiveness by reducing replacing times of IHXs and simplifying helium purification systems. In this paper the chemical impurity behaviour was clarified by the obtained chemistry data by the Japan's HTTR and the criteria of chemical impurities for the GTHTR300C, which can supply both of electricity and hydrogen for the future hydrogen society, was proposed with its control technologies. In this R&D, the chemical impurity behavior, purification abilities, emitted impurities from graphite and thermal insulator, and hydrogen permeation at the heat transfer tube of the IHX during the 950C operation of the HTTR were evaluated. Utilizing these results, radical reactions at the core were identified. Also, chemical impurity criteria were proposed to avoid structural degradation of the Hastelloy XR and thermophysical properties deterioration at the heat transfer tubes. As a result, active chemistry control technologies where the necessary chemical impurity will be injected in response to the chemical balance at the core are proposed for the GTHTR300C. The proposing technology is expected to contribute economically to the purification systems of the future HTGRs.