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A Study on sodium-concrete reaction in presence of internal heating

内部加熱器を含むナトリウム-コンクリート反応の研究

河口 宗道; 宮原 信哉*; 宇埜 正美*

Kawaguchi, Munemichi; Miyahara, Shinya*; Uno, Masayoshi*

ナトリウム-コンクリート反応(SCR)は可燃性ガスである水素とエアロゾルを発生するために、ナトリウム冷却高速炉の過酷事故において重要な現象の一つである。本研究では、反応領域への熱負荷等の影響を調査するために、内部加熱器を使用したSCR実験を実施した。さらに内部加熱器がSCRの自己終息に及ぼす影響を議論した。内部加熱器の存在はコンクリートへのナトリウムの移行を妨げるため、内部加熱器の周囲からナトリウムとコンクリートは反応し始めた。その結果、コンクリート侵食量は内部加熱器周囲の方がその直下よりも大きくなった。また、ナトリウムプール温度の上昇(約800$$^{circ}$$C)はナトリウムエアロゾルの放出速度を大きく増加させるとともに、ポーラス状の生成物層を形成させた。ナトリウムエアロゾルの放出速度はナトリウムの蒸発と水素のバブリングによって説明された。さらに、ポーラス状の生成物層の空隙率はケイ素の質量収支やEPMAマッピングの画像分析から0.54-0.59であり、これらはお互いに良く一致した。この生成物層が反応領域へのナトリウムの移行量を減少させ、内部加熱器の位置によらず反応領域のナトリウム濃度は約30wt.%となり、SCRの終息に至った。内部加熱器の存在する場合でも、SCRの自己終息時に対して反応領域のナトリウム濃度は支配的なパラメータであることが分かった。

Sodium-concrete reaction (SCR) is one of the important phenomena during severe accidents in sodium-cooled fast reactors (SFRs) owing to the generation of large sources of hydrogen and aerosols in the containment vessel. In this study, SCR experiments with an internal heater were performed to investigate the chemical reaction beneath the internal heater (800$$^{circ}$$C), which was used to simulate the obstacle and heating effect on SCR. Furthermore, the effects of the internal heater on the self-termination mechanism were discussed. The internal heater on the concrete hindered the transport of Na into the concrete. Therefore, Na could start to react with the concrete at the periphery of the internal heater, and the concrete ablation depth at the periphery was larger than under the internal heater. The high Na pool temperature of 800$$^{circ}$$C increased largely the Na aerosol release rate, which was explained by Na evaporation and hydrogen bubbling, and formed the porous reaction product layer, whose porosity was 0.54-0.59 from the mass balance of Si and image analyzing EPMA mapping. They had good agreement with each other. The porous reaction products decreased the amount of Na transport into the reaction front. The Na concentration around the reaction front became about 30wt.% despite the position of the internal heater. It was found that the Na concentration condition was one of the dominant parameters for the self-termination of SCR, even in the presence of the internal heater.

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