ペデスタル部鉄筋コンクリート損傷挙動の把握に向けた構成材料の物理・化学的変質に関する研究(委託研究); 令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

Pilot study on thermal, physico-chemical, and mechanical behavior of concrete to understand the failure behavior of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station reactor pressure vessel pedestals (Contract research); FY2023 Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project

廃炉環境国際共同研究センター; 東海国立大学機構*

Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science; Tokai National Higher Education and Research System*

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和5年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という。)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所(1F)の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、令和5年度に採択された研究課題のうち、「ペデスタル部鉄筋コンクリート損傷挙動の把握に向けた構成材料の物理・化学的変質に関する研究」の令和5年度分の研究成果について取りまとめたものである。本研究は、1F1号機原子炉格納容器(PCV)の内部調査で観測されたペデスタル鉄筋コンクリート部材において、鉄筋を残したままコンクリートだけ崩落するという、1号機固有の損傷状態に着目し、発生メカニズムを調査・検証を実施した。コンクリート固有の要因の調査・検証では、(1)高温による短期の溶解メカニズムの調査として、高温時の溶融実験でのデータ取得方法を検討し、溶解現象の有無を判断する解析フレームワークの構築及び剛体バネモデル解析において、加熱による体積変化を組み込む数値解析手法の構築を実施した。また、(2)温度履歴による長期の溶解メカニズムとして、実際のペデスタル部の温度・注水履歴の整理を実施し、実験時のコンクリートの曝露条件の決定及び材料選定や膨張量の測定手法の確立を行った。さらに、高温加熱後の水分供給による膨張現象の既往知見を整理した。次に、特殊な外部環境要因の調査・検証では、(1)燃料デブリの伝熱解析によるコンクリート熱条件の評価として、事故時の1号機PCVコンクリートの熱条件を評価するための伝熱予備解析を実施した。また、(2)コンクリート破損に関わる特殊な外部環境要因に対する要素挙動試験と総合試験として、コンクリート材の水蒸気雰囲気での高温保持小規模試験の予備試験と金属デブリとコンクリートの反応挙動に関する反応予備試験を実施した。さらに、ウラン酸化物の酸素量に着眼した試験に供するウラン含有亜酸化物を作製した。本研究では、これらの調査・検証により1F1号機固有のコンクリート損傷の発生メカニズムに関わる総合的な知見を蓄積した。

The Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science (CLADS), Japan Atomic Energy Agency (JAEA), had been conducting the Nuclear Energy Science & Technology and Human Resource Development Project (hereafter referred to "the Project") in FY2023. The Project aims to contribute to solving problems in the nuclear energy field represented by the decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (1F), Tokyo Electric Power Company Holdings, Inc. (TEPCO). For this purpose, intelligence was collected from all over the world, and basic research and human resource development were promoted by closely integrating/collaborating knowledge and experiences in various fields beyond the barrier of conventional organizations and research fields. The sponsor of the Project was moved from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology to JAEA since the newly adopted proposals in FY2018. On this occasion, JAEA constructed a new research system where JAEA-academia collaboration is reinforced and medium-to-long term research/development and human resource development contributing to the decommissioning are stably and consecutively implemented. Among the adopted proposals in FY2023, this report summarizes the research results of the "Pilot study on thermal, physico-chemical, and mechanical behavior of concrete to understand the failure behavior of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station reactor pressure vessel pedestals" conducted in FY2023. The present study aims to examine the mechanism of the collapse of only concrete with rebar remaining in the pedestal in the containment vessel (PCV) of 1F. In verifying concrete-specific factors, (1) to clarify the short-term dissolution mechanism by high temperature, we investigated data acquisition methods in melting experiments, established an analytical framework for determining dissolution, and developed a numerical analysis method for volume change by heating. Additionally, (2) to clarify long-term dissolution mechanism by temperature history, we organized the temperature and water injection history, determined concrete exposure conditions during experiments, and established a method for selecting materials and measuring expansion. Furthermore, we summarized existing knowledge of the expansion phenomenon caused by water supply after high temperature heating. In the verification of special external environmental factors, (1) to evaluate thermal conditions of PCV concrete during an accident, a preliminary heat transfer analysis of fuel debris was conducted. In addition, (2) as elemental behavior tests and comprehensive tests, a preliminary high temperature storage test on concrete materials in a water vapor atmosphere and a preliminary reaction test on the reaction behavior of metal debris and concrete were conducted. Furthermore, uranium-containing suboxides were prepared. This study provided comprehensive insight into the mechanism of concrete failure in 1F Unit 1.