Irradiation-induced dimensional change and fracture behavior of C/C composites for VHTR application

VHTR適用のためのC/C複合材料の照射効果及び破壊挙動の検討

角田 淳弥 ; 柴田 大受 ; 沢 和弘; 藤田 一郎; 大橋 純*; 瀧澤 健太郎*; Kim, W.*; Park, J.*

Sumita, Junya; Shibata, Taiju; Sawa, Kazuhiro; Fujita, Ichiro; Ohashi, Jun*; Takizawa, Kentaro*; Kim, W.*; Park, J.*

第4世代原子炉システムの1つであるVHTRの温度条件は厳しいため、炭素繊維強化炭素複合材料の制御棒要素への適用がVHTRの開発において主な課題の一つである。原子力機構では2次元C/Cコンポジットに着目し研究開発を進めている。2次元C/Cコンポジットは、照射前後で繊維方向と積層方向に異方性を有するため、制御棒の設計ではそれらを考慮することが重要である。特性への照射効果を調べるため、原子力機構ではC/Cコンポジットの照射試験を実施し、両方向の照射特性の評価を行った。また、C/Cコンポジットは繊維とマトリックスから構成されるため、亀裂の進展を評価する必要がある。亀裂の進展評価により破壊特性を評価するため、制御棒の亀裂を模擬した曲げ試験を実施し、試験片中の亀裂を観察した。ここでは、2次元C/Cコンポジットの照射効果について、異方性を考慮した照射後試験の結果をもとに評価した結果を示す。また、等価破壊靱性値の評価結果及び破壊のメカニズムの検討結果についても併せて示す。

Since the temperature condition in Very High Temperature Reactor (VHTR), one of the Generation-IV reactor systems, is severe, the application of heat-resistant carbon fiber reinforced carbon matrix composite (C/C composite) for control rod elements is one of the important subjects for the VHTR development. JAEA focuses on the application of two-dimensional (2D-) C/C composites for control rod. The 2D-C/C composite has an anisotropy in properties for parallel and perpendicular to lamina directions. Irradiation effects of the 2D-C/C composite also show anisotropic behavior. It is hence important to consider the anisotropy in control rod design. To investigate the irradiation effects of the 2D-C/C composite on properties, irradiation test and post irradiation examination (PIE) were carried out and the irradiation effects were evaluated for the both directions. Since the C/C composite is composed of fibers and matrix, this geometry should be considered to evaluate the crack propagation in the composite. To assess the fracture behavior with crack propagation, bending test was carried out assuming a crack in the control rod and cracks in specimens were observed. This paper describes the irradiation effects of the 2D-C/C composite based on the PIE results considering the anisotropy. The evaluation results on equivalent fracture toughness and fracture mechanism are also discussed.