Interactions between U-Zr-O and concrete near the melting range of concrete

コンクリート溶融付近におけるコンクリート・U-Zr-O間の相互作用

須藤 彩子 ; 佐藤 拓未 ; 永江 勇二 

Sudo, Ayako; Sato, Takumi; Nagae, Yuji

現在の溶融コリウムコンクリート反応コードは溶融プール初期温度が2000C付近で行われた炉心材料とコンクリートの大型反応試験に基づいて設計されている。U-Zr-Oのような亜酸化物はコンクリート溶融付近の低温でコンクリートと反応する可能性がある。コンクリート溶融付近での溶融コリウムコンクリート反応の調査はシビアアクシデント解析の高度化のため必要不可欠である。コンクリートとU-Zr-Oの小規模反応試験(Ar雰囲気下、1200Cおよび1300Cで2時間保持)を行った結果、Si-Zr-U-O層が反応界面で観測された。1500Cで2時間保持した結果、(i) Si-Zr-U-O層、(ii) (U,Zr)Oおよびコンクリート、(iii) Si-Zr金属の3層が観測された。熱力学解析によると、Caは(U,Zr)Oに固溶し、一方でSi-Zr-U-O層にUは入らないことが示された。この違いは計算が炉心材料とコンクリートが完全に混ざり合ったことを前提としているため起こる。本研究から、1200C-1500Cの温度領域ではU-Zr-Oとコンクリート間の反応層は温度上昇によって厚くなり、また、組成は熱力学解析だけでは完全に予測できないことが示された。

Current molten corium concrete interaction codes are based on large-scale tests in which core materials interact with concrete and the initial temperature of the molten pool is below 2000C. Suboxides such as U-Zr-O may react with concrete at lower temperatures near the melting range of concrete. Investigating the reactions between core materials and concrete near the melting range of concrete is essential for advancing severe accident analyses. As a result of small-scale reaction tests between concrete and U-Zr-O under an Ar atmosphere at 1200C and 1300C, held for 2 hours, a Si-Zr-U-O layer was formed at the reaction interface. At 1500C, held for 2 hours, three layers were formed: (i)Si-Zr-U-O layer, (ii) (U,Zr)O and concrete, and (iii) Si-Zr metallic precipitates. The thermodynamic analysis, indicate that Ca dissolves in (U,Zr)O, whereas U is not predicted to be present in the Si-Zr-U-O layer. These discrepancies arise because the calculations assume complete mixing of the core materials and concrete. The present study demonstrated that, within the temperature range of 1200C-1500C, the reaction layer formed between U-Zr-O and concrete became thicker with increasing temperature, and that the composition of the reaction layer could not be adequately predicted by thermodynamic calculations alone.