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安全性・経済性向上を目指したMA核変換用窒化物燃料サイクルに関する研究開発,5; 模擬燃料と被覆管材料の化学的両立性

R&D on nitride fuel cycle for MA transmutation to enhance safety and economy, 5; Chemical compatibility between cladding and fuel surrogate materials

原田 誠; 高木 聖也; 高野 公秀 

Harada, Makoto; Takaki, Seiya; Takano, Masahide

核変換用窒化物燃料の被覆管材料として、耐照射性及び高温強度に優れるT91フェライト鋼が候補となっている。しかし、窒化物燃料とT91フェライト鋼の化学的両立性に関するデータは不足している。化学的両立性を評価することは、原子炉通常運転における燃料の健全性を担保するだけでなく、過酷事故における事象進展を理解する上でも重要となる。そこで本研究では模擬窒化物燃料と被覆管材料について、被覆管溶融温度での短時間の反応試験及び通常運転温度(773K, 923K, 1023K)での長時間の反応試験を行った。試料は、模擬窒化物燃料としてZrNとDy$$_{0.3}$$Zr$$_{0.7}$$Nの焼結体を、被覆管材料としてT91フェライト鋼とSUS316Lオーステナイト鋼を用いた。反応試験後にSEM/EDXにより断面観察及び元素分析を行った。被覆管溶融状態の試験では、どちらの加熱方法でも反応層は確認されなかったが、模擬燃料から脱離した粒子が界面付近の被覆管層で観察された。通常運転温度での長期試験では、すべての条件で反応層及び相互拡散は確認できなった。どちらの試験においても反応層が確認できなかったことから被覆管材料と模擬燃料の化学的両立性は良好であることがわかった。

T91 ferrite steel is considered as cladding of nitride fuels for transmutation of Minor Actinides. In this study, chemical compatibility between cladding and fuel surrogate materials was investigated in two different conditions. One condition was in over melting point of cladding and in short term. The other condition was in predicted operation temperature (773K, 923K, 1023K) and in long term. Surrogate fuel materials were ZrN and Dy$$_{0.3}$$Zr$$_{0.7}$$N, and cladding materials were T91 and SUS316L steel. After the reaction tests, cross sections of specimens were examined by SEM/EDS to characterize the extent of reaction and diffusion. In the melting test, reaction layers didn't exist, but some particles of surrogate fuel materials were observed in cladding layer. In predicted operation temperature test, all specimen had no reaction layers. In conclusion, cladding and fuel surrogate materials have excellent chemical compatibility.

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