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炭化ホウ素とステンレス鋼の共晶溶融反応試験後の材料分析

Post-test material analysis of eutectic melting reaction of boron carbide and stainless steel

山野 秀将; 高井 俊秀; 古川 智弘

Yamano, Hidemasa; Takai, Toshihide; Furukawa, Tomohiro

我が国で設計されている先進型ナトリウム冷却高速炉における炉心損傷事故では、制御棒材料である炭化ホウ素(B$$_{4}$$C)とステンレス鋼(SS)の共晶溶融反応及び移行挙動を模擬する必要がある。これは、B$$_{4}$$C-SS共晶溶融移行挙動が簡易計算に基づく反応度推移において大きな不確かさを有するからである。そこで、共晶溶融反応及び移行挙動を模擬する物理モデルを開発し、それをシビアアクシデントシミュレーションコードに組み込んだ。そこで、その物理モデルの妥当性を確認するため、B$$_{4}$$C-SS共晶溶融反応可視化試験を実施し、1500$$^{circ}$$Cまで加熱したB$$_{4}$$Cペレットに数kgの溶融SSを接触させた。本試験では、共晶反応の過渡挙動を可視化するとともに、試験後固化物の上部にはB$$_{4}$$C-SS共晶溶融物質があり、密度差により分離したことが示された。試験後材料分析では、X線回折装置と透過型電子顕微鏡を用いて、B$$_{4}$$C-SS接触界面ではFeBが現れ、試験体表面には(Fe,Cr)$$_{2}$$Bは現れることを示した。次に、グロー放電発光分析法を用いてホウ素濃度分布の定量的分析を行ったところ、試験体表面及びB$$_{4}$$Cペレット初期位置に近いところでボロン濃度が高いことが示された。

It is necessary to simulate a eutectic melting reaction and relocation behavior of boron carbide (B$$_{4}$$C) as a control rod material and stainless steel (SS) during a core disruptive accident in an advanced sodium-cooled fast reactor designed in Japan because the B$$_{4}$$C-SS eutectic relocation behavior has a large uncertainty in the reactivity history based on a simple calculation. A physical model simulating the eutectic melting reaction and relocation was developed and implemented into a severe accident simulation code. The developed model must be validated by using test data. To validate the physical model, therefore, the visualization tests of SS-B$$_{4}$$C eutectic melting reaction was carried out by contacting SS melts of several kg with a B$$_{4}$$C pellet heated up to about 1500 $$^{circ}$$C. The tests have shown the eutectic reaction visualization as well as freezing and relocation of the B$$_{4}$$C-SS eutectic in upper part of the solidified test piece due to the density separation. Post-test material analyses by using X-ray diffraction and transmission electron microscope techniques have indicated that FeB appeared at the B$$_{4}$$C-SS contact interface and (Fe,Cr)$$_{2}$$B at the top surface of the test piece. Glow discharge optical emission spectrometry has been applied to quantitative analysis of boron concentration distributions. The boron concentration was high at the upper surface and near the original position of the B$$_{4}$$C pellet.

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