Investigation of the oxidation behavior of Zircaloy-4 cladding in a mixture of air and steam

ジルカロイ4被覆管の空気-水蒸気混合雰囲気中での酸化挙動の研究

根本 義之  ; 石島 暖大 ; 近藤 啓悦  ; 藤村 由希; 加治 芳行  

Nemoto, Yoshiyuki; Ishijima, Yasuhiro; Kondo, Keietsu; Fujimura, Yuki; Kaji, Yoshiyuki

著者らはこれまでジルコニウム合金製の燃料被覆管について、空気と水蒸気の混合雰囲気中での酸化試験を実施し、乾燥空気中よりも空気と水蒸気の混合雰囲気中において酸化が速くなる場合のあることを報告してきた。このような酸化は使用済み燃料プール(SFP)の重大事故時や、原子炉圧力容器への空気侵入事故時に起こることが懸念されるため、詳細な検討が必要である。そのためジルカロイ4製の被覆管の酸化試験を、空気と水蒸気の混合比を変化させた環境中で800Cの温度条件で実施し、酸化試験データに基づいて酸化速度定数の評価、酸化試験後の試料について、酸化層の詳細評価,水素吸収量の評価等を行った。その結果、酸化の極初期におけるジルコニウム窒化物(ZrN)の生成や、試料表面の全面に拡がる多孔質な酸化層の成長などが、空気と水蒸気の混合雰囲気中での酸化挙動に影響していることが確認された。以上に基づき、乾燥空気中と、空気と水蒸気の混合雰囲気中での酸化メカニズムの違いについて議論を行った結果を報告する。

Previous studies had shown that in certain conditions, the rate of oxidation of zirconium (Zr) based alloy fuel cladding is higher in air-steam mixtures than in dry air. In severe accidents in the spent fuel pool and in other air ingress accidents in nuclear power plants, the cladding is likely to be oxidized in an air-steam mixture, which makes it crucial to have an in-depth understanding of the nature of oxidation and its kinetics in that environment. Oxidation tests were conducted at 800C on Zircaloy-4 specimens in a mix of (air+steam) with various component ratios. Oxidation kinetics, details of the oxide layer, and hydrogen pick-up in the specimen were studied to investigate the mechanism of oxidation in each of these sets of conditions. Zirconium nitride precipitation in the oxide layer during the initial stages of the pre-breakaway oxidation stage and the widespread porous oxide growth on the cladding surface in the latter post-BA oxidation stage are related to the oxidation mechanism in the air-steam mixture. The differences in the mechanism of oxidation of the cladding in dry air and air-steam mixtures are discussed based on the experimental results.