高速炉における水素化ジルコニウム炉心径方向遮蔽体の寿命評価; 一次冷却系への水素透過放出量と被覆管におけるヘリウム生成量に基づく評価

Long term performance of radial shielding subassemblies with zirconium hydride in sodium cooled fast reactor core; Hydrogen release into primary coolant and helium production in cladding tube steels

井上 賢紀 ; 皆藤 威二 

Inoue, Masaki; Kaito, Takeji

高速増殖炉の原子炉容器コンパクト化の枢要技術である水素化ジルコニウムを使用する炉心径方向遮蔽体について、実証炉想定条件における寿命を評価した。コールドトラップ負荷・遮蔽性能・冷却材流量配分の観点からは被覆管を拡散透過して一次冷却系に移行する水素透過放出量、被覆管の材料特性の観点からは高熱中性子束に起因するヘリウム生成量に着目した。炉心最外周における線束と中性子束の急峻な勾配を考慮し、水素透過放出量とヘリウム生成量を定量的に計算するための評価体系を新たに構築した。オーステナイト系ステンレス鋼被覆管(PNC316)はヘリウム生成量が大きく、フェライト/マルテンサイト系鋼被覆管(PNC-FMS)は水素透過放出量が大きいため、60年間無交換の達成は困難と評価された。PNC-FMSと酸化処理した耐熱鋼との二重管構造を実用化できれば、無交換の可能性があることがわかった。

Long term performance of radial shielding subassemblies with zirconium hydride, which is one of the key technologies to reduce reactor vessel radius, was evaluated for the demonstration fast breeder reactor core. Hydrogen permeation through cladding tube wall and release into primary coolant is essential to design cold traps and shielding performance. Also, higher thermal neutron fluence produces larger helium in cladding tube steels, and may degrade mechanical properties and dimensional stability. A new model was established to quantitatively calculate hydrogen release and helium production under steep gradient of neutron and ray fluxes in outer core region. Austenitic stainless steel (PNC316) and ferritic/martensitic steel (PNC-FMS) will not be capable for 60 years because of large helium production and high permeability, respectively. In contrast, dual wall tube combining PNC-FMS with surface oxidized Fe-18Cr-2Al alloy will be applicable for 60 years in case that manufacturing process is successfully developed.