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超高温ガス炉用等方性黒鉛(IG-110, IG-430)の酸化特性評価; 空気酸化による密度分布と圧縮強度の変化

Evaluation of oxidation characteristics of fine-grained graphites (IG-110 and IG-430) for very high temperature reactor; Changes in density distribution and compressive strength caused by air-oxidation

藤田 一郎*; 衛藤 基邦*; 大崎 弘貴; 柴田 大受; 角田 淳弥; 小西 隆志; 山地 雅俊; 國本 英治

Fujita, Ichiro*; Eto, Motokuni*; Osaki, Hirotaka; Shibata, Taiju; Sumita, Junya; Konishi, Takashi; Yamaji, Masatoshi; Kunimoto, Eiji

高温ガス炉や第四世代の超高温ガス炉(VHTR)の炉心構造物には黒鉛が使用される。黒鉛は高温において炉内の冷却材ヘリウムガス中の不純物や空気侵入事故時の酸素ガス等により酸化する恐れがある。このため、黒鉛の酸化特性及びそれに伴う機械的特性の変化を評価しておくことが重要である。本研究では、高温ガス炉(VHTRを含む)用の材料であるIG-110及びIG-430黒鉛の520-900$$^{circ}$$Cにおける空気酸化特性及び酸化に伴う圧縮強度の変化について調べ、以下の結論を得た。(1) IG-430の酸化速度はIG-110の半分以下であるが、活性化エネルギーはほぼ同じ176kJ/molである。(2)酸化による密度分布と圧縮強度の変化には相関があり、同一の酸化重量変化においては、均一酸化が生じる600$$^{circ}$$C以下で強度が最も小さくなる。(3)酸化の進行過程においては、黒鉛試験片内のバインダー由来の結晶性の悪い部分から優先的に酸化が進行する。そのため、酸化消耗については、ガス化以外に、コークス粒子が脱離する影響も考慮する必要がある。

Graphite components in HTGR and VHTR may be oxidized by impurities in coolant helium-gas even at normal operation, as well as by air at air-ingress accident. In this study, by air-oxidation test at 520-900$$^{circ}$$C, oxidation characteristics of IG-110 and IG-430 graphites, and associated decrease in compressive strength were examined. The following results were obtained. (1) The activation energy of the air-oxidation for IG-430 is 176 kJ/mol being almost same as for IG-110, though the oxidation rate for IG-430 is less than a half of that for IG-110. (2) There are correlations between density change and decrease in compressive strength. Decrease in strength is the largest in case that the oxidation temperature is lower than 600 $$^{circ}$$C where the homogenous oxidation occurs. (3) In the process of oxidation, amorphous binder regions are predominantly oxidized. It suggests that peeling-off of cokes grains is necessary to be considered for oxidation weight loss, as well as gasification.

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