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報告書

振動充填燃料開発に関するスイスPSI・オランダNRGとの共同研究成果報告書,1; 基本計画・燃料設計・照射燃料ピン製造

森平 正之; 小澤 隆之; 冨田 豊; 鈴木 政浩; 重留 義明; 木原 義之; 河野 秀作

JNC-TN8400 2004-014, 193 Pages, 2004/07

JNC-TN8400-2004-014.pdf:24.52MB

サイクル機構が、スイスPSI 及びオランダNRGとの間で進めている振動充填燃料開発に関する共同研究は、5%Np-MOXを含むスフェアパック燃料(球状粒子充填燃料)について、ペレット燃料、バイパック燃料(非球形粒子充填燃料)とともに、オランダのHFR (High Flux Reactor)において比較照射を行う共同研究プロジェクトであり、照射試験を目指す過程で、PSIが長年に渡る研究実績を有するスフェアパック燃料に係る照射挙動評価モデリング、燃料設計、粒子燃料製造及び振動充填に係る技術を機構に導入することが一方の目的としている。PSIにおける照射試験ピンの製造は2003年5月に完了した。2004年1月から3月にかけてHFRにおける前半2回の照射試験を終了し、現在照射後試験を進めている。後半2回の照射は2004年秋までに実施される予定である。本報告書は、共同研究前半の燃料設計と照射ピン製造を中心にまとめたものである。

論文

ODSフェライト鋼被覆管の加圧抵抗加熱接合技術開発

関 正之; 河野 秀作

日本原子力学会和文論文誌, 3(1), p.95 - 105, 2004/03

本論文は、種々の条件で高速炉ODSフェライト鋼被覆管の加圧抵抗加熱接合を実施した後、接合強度、金相組織等の評価からその最適条件を見いだした結果を報告する。

論文

Pressurized Resistance Welding Technology Development in 9Cr-ODS Martensitic Steels

関 正之; 河野 秀作; 木原 義之; 皆藤 威二; 鵜飼 重治; 平子 一仁*

Journal of Nuclear Materials, 329-333, p.1534 - 1538, 2004/00

 被引用回数:26 パーセンタイル:12.63(Materials Science, Multidisciplinary)

JNCにおいては、高速炉燃料ピン製作のためのODS被覆材料と端栓の接合技術開発を実施している。この接合方法である抵抗溶接(PRW)法は、材料の電気抵抗加熱により、材料を溶融させないで行う固相接合であり,一連の溶接工程は、その条件(電流、電圧、および加圧力)をプログラマブル・システムによって制御し、実行される。さらに製品の溶接時の残留応力を軽減するために溶接部の熱処理を実施している。PRW法による溶接は、本来の被覆管マルテンサイト組織に影響なく溶接されており、引張試験、内圧クリープ試験において溶接部の健全性も実証された。さらに、接合部の非破壊検査法として超音波探傷検査方法を開発した。この抵抗溶接法で製作したODS燃料ピンは、JNC-ロシア共同研究においてロシアの高速炉BOR-60で2003年6月から照射試験を実施している。

報告書

超音波探傷法による抵抗溶接部品質保証法の開発 -抵抗溶接部用STBの試作と探傷試験-

河野 秀作; 関 正之; 石橋 藤雄; 平子 一仁*; 塚田 竜也*

JNC-TN8430 2003-010, 28 Pages, 2003/07

JNC-TN8430-2003-010.pdf:2.18MB

抵抗溶接部に発生する欠陥は、微細であるため、従来からのX線による検査では、その欠陥を識別できないため、X線検査法に変わる手法としてより欠陥の分解能が高い、超音波法の適用について開発を行ってきた。超音波は、X線よりも物質内部へ伝わり易く、直進性も良いため、欠陥の検出能力に優れているが、超音波で得られる欠陥信号の強度と欠陥の大きさは必ずしも相対しない。これは、超音波の欠陥からの反射エコーの大きさが、反射源である欠陥の形状、向きに大きく影響されるためである。そこで、パルスモーターで探触子と試料回転軸を駆動制御させ、欠陥位置データと超音波エコーを組み合わせて画像処理を行い、欠陥の寸法及び位置を正確に把握できる溶接部超音波検査装置を開発した。しかし、超音波検査法は、あくまで比較検査法であるため、検査装置の持つ欠陥検出能や探傷感度の保証には、既知の欠陥を持つ、標準試験片や対比試験片が必要となる。標準試験片は、JIS等でも規定されているが、抵抗溶接部のような特殊な部位に発生する特異な欠陥に対しては、その形状に特化した標準試験片が必要となる。そこで、標準試験片加工方法の検討を行い、放電加工と拡散接合により標準試験片を試作した。この試作標準試験片の人口欠陥を用いて探傷感度、データ画像処理用しきい値の校正を行い、超音波による探傷結果とその部位の金相試験による実測と比較した結果、欠陥深さ方向分解能が3$$mu$$m、欠陥寸法、接合長さ測定において誤差が10$$mu$$m以内の探傷性能を持つことが判明し、標準試験片による探傷条件校正の有効性が確認された。また、溶接部欠陥の出来方と探傷画像に特異なパターンが存在することも探傷結果と金相試験の対比により確認された。

報告書

消滅処理用アクチノイド水素化物の開発(公募型研究に関する共同研究報告書)

山脇 道夫*; 小無 健司*; 河野 秀作; 北村 了一

JNC-TY8400 2003-006, 38 Pages, 2003/05

JNC-TY8400-2003-006.pdf:2.66MB

アクチノイド元素は金属状態では、多くの水素を吸収することができる、いわゆる水素吸収材としての性質を有している。 アクチノイド水素化物中の水素原子密度は、水中の水素原子数密度とほぼ同じであり、軽水炉の冷却材と同等の中性子減速性能が期待できる。この中性子減速性能に着目して原子炉からの照射済み燃料中に含まれるアクチナイド(Np, Am, Cm等)廃棄物の処理用燃料としての応用を研究した。アクチノイドの中では比較的取り扱いが簡単で水素との反応がNp等に類似しているトリウムを用いて研究が進められた。特に最近高温での

報告書

抵抗溶接法の開発(VI)-マルテンサイト系ODS鋼の溶接特性評価試験-

河野 秀作; 関 正之; 石橋 藤雄; 平子 一仁*; 塚田 竜也*

JNC-TN8410 2003-009, 108 Pages, 2003/05

JNC-TN8410-2003-009.pdf:9.54MB

マルテンサイト系ODS鋼被覆管の溶接特性評価のために、溶接条件及び熱処理条件の最適化試験を行った。その後に、強度測定評価試験片を製作し、接合部の強度評価試験として引張試験、内圧バースト試験、内圧クリープ試験及び単軸クリープ試験を実施した。(1)溶接特性について 良好な溶接特性を示した。 溶接時に懸念された接合開始点に発生する微細剥離等は生じることなく、接合開始点のバラツキも0.05mm以内で均一な接合状態であった。母材自体の組織が均質であったことが、良好な溶接特性を示した一因と考える。(2)端栓材について 端栓材は、被覆管材と共材を用いることにより、接合部近傍における組織、炭化物の析出状態は被覆管材と同等の結果が得られた。(3)熱処理条件の最適化 溶接後に焼きならし(1050$$^{circ}C$$)と焼き戻し(780$$^{circ}C$$-10分)処理を兼用することにより、接合部近傍の組織は転位密度の低い等軸粒の組織となった。また、炭化物の析出状態についても母材と同等の分布を示した。溶接時の残留応力も緩和できることから、溶接後の熱処理(焼きならし(1050$$^{circ}C$$)と焼き戻し(780$$^{circ}C$$-10分))は必須条件となる。(4)接合強度 すべての強度試験において、接合部の強度は、被覆管母材と同等の強度が得られた。そのため、マルテンサイト系ODS鋼の溶接技術開発は完結したと考える。

報告書

MA含有低除染燃料の開発II-Np/Am含有低除染燃料の焼結性と相安定性-

加藤 正人; 森本 恭一; 河野 秀作; 宇野 広樹*; 田村 哲也*; 砂押 剛雄*; 羽成 章*

JNC-TN8400 2003-014, 151 Pages, 2003/05

JNC-TN8400-2003-014.PDF:11.66MB

PWTF 可燃物焼却工程設備での実証(焼却)運転は、プルトニウム燃料各施設から発生した放射性固体廃棄物の内、可燃物及び高性能エアフィルタの焼却処理を行い、平成13年度として2001-1,2001-2キャンペーンを行った。2001-1キャンペーンと2001-2キャンペーンは、二交替勤務による運転でそれぞれドラム缶換算379.5本分、266.5本分の処理を行った。なお、これらの処理により発生した焼却灰は、2001-1キャンペーンでドラム缶11本、2001-2キャンペーンでドラム缶7.5本である。また、灰溶融工程では、前年度に見つかった炉体の不具合を補修するため、炉体を構成する一部である上部炉体の更新作業を実施した。インターキャンペーン時には、可燃物焼却設備、送排風機、ダストモニタ、屋外除湿装置等の保守点検等を実施した。各工程ともスケジュールに影響を及ぼすような設備故障はなく、順調な運転が行えた。

報告書

BOR-60照射試験用上部端栓付ODS鋼被覆管の製造 -溶接条件設定試験、装置改造及び端栓溶接-

河野 秀作; 関 正之; 石橋 藤雄; 平子 一仁*; 塚田 竜也*

JNC-TN8430 2003-003, 249 Pages, 2003/04

JNC-TN8430-2003-003.pdf:247.75MB

ODS鋼被覆管の実用化見通しを早期に判断するため、日露共同研究としてロシア原子炉科学研究所(RIAR)の高速炉実験炉BOR-60を用いた照射試験が計画されている。この共同研究に使用する燃料ピンの燃料設計はRIAR側が行い、製造についてはサイクル機構側がマルテンサイト系、フェライト系2鋼種のODS鋼被覆管と端栓棒材の製造、上部端栓製作、加圧抵抗溶接法による上部端栓溶接及びRIARまでの輸送を分担し、RIAR側が振動充填燃料ピンの製造と照射を分担する。このサイクル機構側の製造分担において、上部端栓の製造、ODS鋼被覆管への上部端栓溶接及び製品検査が東海事業所の所掌範囲となる。抵抗溶接による上部端栓溶接においては、被覆管や端栓形状変更による溶接条件の決定に加え、長尺被覆管溶接のための装置改造、ハンドリングを含めた長尺被覆管溶接工程確立、製品検査のための品質保証法の確立といった課題に取り組んできた。特に長尺被覆管の溶接において、溶接時の加圧により被覆管にたわみ変形が発生し、溶接不良を引き起こすという問題が生じたが、装置改造において被覆管コレットチャックと加圧受けの距離を短くすることと溶接機の内部空間にスリーブを入れて被覆管のたわみを抑えることでこの問題を解決した。また、被覆管の内面状態、内面に残存する欠陥及び再結晶度合いのバラツキによる溶接欠陥の発生という問題に対しても、溶接端面の内面研磨と超音波による斜角探傷及び超音波波形確認により対処法を確立した。この他にも溶接部の残留応力を除去するための熱処理等を含めた試験を行い、ODS長尺被覆管の上部端栓溶接を実施した。品質保証体制については、大洗工学センターが制定した品質保証計画書を基に常陽における要領書を参考とした製造要領書等を策定し、それに基づき製品製作及び検査を実施した。これらの品質保証方法は、今後、常陽での照射試験を行う上で参考となると考える。 尚、上部端栓付被覆管は、2002年12月3日に大洗側の検査に合格し、12月13日に出荷、2003年1月10日にRIARに到着している。

報告書

抵抗溶接法の開発(V)(内圧クリープ試験片の破損要因究明試験)

河野 秀作; 関 正之; 石橋 藤雄; 平子 一仁*; 塚田 竜也*

JNC-TN8410 2002-013, 88 Pages, 2003/01

JNC-TN8410-2002-013.pdf:39.21MB

ODS鋼製被覆管の抵抗溶接部の内圧クリープ試験において、接合部から破損する事象が生じた。このため、接合部断面の組織観察, 抽出レプリカ法によるTEM観察および接合部近傍における残留応力を測定し、破損要因の推定を行い、以下の結果が得られた。(1)フェライト系ODS鋼、内圧クリープ試験の破損要因の推定。抵抗溶接時に接合境界の褶曲部に生じた微細剥離部に内圧負荷による応力が集中し、伸張した結晶粒界に沿って粒界滑りが生じることにより破損が生じたと推察される。改善策として、被覆管の押し込み量, 接合面の角度等の溶接条件の最適化を図る必要がある。(2)マルテンサイト系ODS鋼, 内圧クリープ試験の破損要因の推定。端栓材の高温強度の低下, 褶曲部に生じた微細剥離及びフェライト化が接合境界強度の弱化に起因していると考えられる。改善策として、端栓材は高温強度に優れたODS鋼を用いることと、炭化物の凝集粗大化の軽減のために、780$$^{circ}$$C程度のSR(応力除去)処理あるいは再NT(焼ならし・焼き戻し処理を溶接後に行う必要がある。(3)残留応力の測定結果。抵抗溶接部の残留応力は、フェライト系・マルテンサイト系ODS鋼とも狭い領域に最大500MPaの応力であることがわかった。また、溶接後に熱処理を行うと、マルテンサイト系ODS鋼の残留応力は64MPaまで減少したが、フェライト系ODS鋼については、外表面で最大150MPa, 断面方向では、170MPa程度の応力が残存していた。この事から、熱処理時間を長くする等の対策を行い、熱処理条件の最適化をはかる必要がある。

報告書

MA含有低除染燃料の開発I -Np含有MOXの焼結特性と相分離挙動-

森本 恭一; 西山 元邦; 加藤 正人; 遠藤 秀男; 河野 秀作; 宇野 弘樹*; 田村 哲也*

JNC-TN8400 2003-011, 32 Pages, 2003/01

JNC-TN8400-2003-011.pdf:0.62MB

先進的核燃料リサイクルの燃料として Npを含有させた MOX燃料が考えられている。Np含有MOX 燃料の開発を進めるためには、照射燃料製造及び燃料設計に必要となる Np-Pu-U 系混合酸化物に関する基礎的なデータ取得が必要である。本報告では、Np含有(最大 12%)MOXのペレットを作製し、焼結特性に及ぼす Npの影響、相安定性及び均質性について評価した。試験の結果、Np の濃度の増加により密度が低下し、Np は焼結中の緻密化を遅くする効果があることがわかった。相安定性については、O/M=1.90$$sim$$2.00の試料について、相状態を観察し、MOXと Np 含有 MOX の相分離挙動はほぼ同じであることが分かった。また、均質性の評価を行い、本試験で作製した試料は均質性が良く、Puスポットの観点からは燃料仕様上問題がないことが分かった。

論文

Preparation and Characterization of (Pu, U, Np, Am, Simulated FP) O2-X

森本 恭一; 加藤 正人; 河野 秀作; 菅田 博正*; 砂押 剛雄*

High Temperature Materials Chemistry-XI(HTXC-XI), (PB63), 0 Pages, 2003/00

MA含有低除染MOX燃料の開発の一環としてPu約30%、Np、Amを約2%含んだMOXとこれに模擬FPとして希土類元素及び白金属元素を添加したペレットを調整し、焼結中の酸素分圧をパラメータとした、焼結特性を調べるとともに燃料の相安定性及び各元素の挙動及び物性について評価した。試験の結果、焼結雰囲気の酸素分圧が高いほど、組成の均質性がよく結晶粒が成長することが分かった。また、温度と酸素分圧を調整することにより燃料仕様として考えられているO/M=1.95のペレットを得ることができた。O/M=1.95の試料はMOX燃料同様に2相分離が観察された。また、融点測定を行い、各試料の融点はMOXのものと同等か、または低いことがわかった

論文

Welding Technology Development in 9Cr-ODS Martensitic Steels

関 正之; 河野 秀作; 鵜飼 重治; 皆藤 威二; 平子 一仁*

Proceedings of 11th International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-11), 87 Pages, 2003/00

JNCにおいては、高速炉燃料ピン製作のためのODS被覆材料と端栓の接合技術開発を実施している。この接合方法である抵抗溶接(PRW)法は、材料の電気抵抗加熱により、材料を溶融させないで行う固相接合であり、一連の溶接工程は、その条件(電流、電圧、および加圧力)をプログラマブル・システムによって制御し、実行される。さらに製品の溶接時の残留応力を軽減するために溶接部の熱処理を実施している。PRW法による溶接は、本来の被覆管マルテンサイト組織に影響なく溶接されており、引張試験、内圧クリープ試験において溶接部の健全性も実証された。さらに、接合部の非破壊検査法として超音波探傷検査方法を開発した。この抵抗溶接法で製作したODS燃料ピンは、JNC-ロシア共同研究においてロシアの高速炉BOR-60で2003年6月から照射試験を実施している。

論文

Vipac Fuel Fabrication for Irradiation Test of the FUJI Project

重留 義明; 河野 秀作; Hellwig, C.*; Heimgartner, P.*

Proceedings of International Conference on Advanced Nuclear Energy and Fuel Cycle Systems (GLOBAL 2003) (CD-ROM), p.1342 - 1347, 2003/00

FUJIプロジェクトにおける照射用バイパックピン製造のため、MOX粉をペレット成型した後に、機械粉砕・焼結を行う製造プロセスを採用し、その製造試験を通じてプロセス実証を行った。製造した粒子燃料のピンへの充填に関しては、模擬粒子を用いたコールドの充填試験による結果と、粒子形状を指標とした充填特性評価からその評価を行い、実際の製造に備えた。これらの製造試験及び照射用燃料の製造について報告する。

論文

Effect of Surface Roughness on Packing Behavior in Sphere-Pack MOX Fuel

鈴木 政浩; 河野 秀作; 小島 久雄

CIMTEC2002(2rd International Conference:Computational Modelling and Simulation of Materials), 0 Pages, 2002/00

振動充填燃料は、80%以上の高い充填密度の達成や軸方向密度の均一性が要求される。最小限の実験で効率的に行うため、3次元個別要素法(粒状プログラム)の充填挙動解析コードを用いて、球状粒子の特性が充填率に及ぼす影響に関する解析的検討を行った。粒子密度と表面粗さの異なる模擬粒子による充填試験結果と、3次元個別要素法による充填挙動(粒子密度、摩擦係数の影響)解析結果から目標とするMOX粒子の短時間で80%以上の高充填率を達成するために、求められる燃料仕様として粒子の表面粗さが摩擦係数の数値が示唆された。また、今回製造した外部ゲル化によるウラン粒子(小粒径粒子)サンプルの摩擦係数はほぼ同様な値であることから、ウラン粒子を用いての充填率は83%程度が達成させることが予測できた。

論文

Design for irradiation tests in the HFR with innovative fuel

小沢 隆之; 安部 智之; 河野 秀作; Franz Ingo*; Hannu Wall*

ANS annual meeting 2002, P. 279, 2002/00

スイスのポールシェラー研究所との共同研究の一環として、オランダHFR(High Flux Reactor)においてスフェアパック/バイパック/ペレット燃料を用いた照射試験の実施が計画されている。今回の照射試験では、これら各燃料間の照射挙動比較の目的で、異なった組成・形態を有する燃料を同一照射条件下で照射するため、本試験に供する照射燃料要素は従来と異なった設計に基づく構造を有する。また、取得したデータの高速炉燃料設計への適用を視野に入れた高速炉条件模擬の照射条件にも特徴がある。本発表では照射燃料要素の構造設計結果及び照射条件策定に係る検討結果について報告する。

報告書

吸光光度法によるNp含有MOX燃料中のNpの定量

影山 十三男; 菅谷 伸一; 河野 秀作; 樋口 英俊; not registered; 木幡 正人*; 野田 吉範*

JNC-TN8400 2001-026, 29 Pages, 2001/12

JNC-TN8400-2001-026.pdf:0.99MB

Np含有MOX燃料中のNp含有量を測定するために、吸光光度法による測定条件について検討した。試料溶液中のNpの原子価をIV価に調整した後、727nmの吸収ピークの吸光度を測定することにより、Np濃度を求めた。本法の検量線は、Np濃度0.8mg/mlまで直線性を示した。また、Np溶液にPu,U量を各々Npの30倍量、60倍量まで添加したが、この範囲ではNp分析値への影響はなかった。本分析法により、2%Np含有MOX燃料を想定した試料中のNp含有量を分析したときの相対標準偏差(RSD)は約4%であった。さらに、物性測定試験に用いるNp含有MOX燃料の原料粉中のNp含有量を測定した。その結果、本法はNpをPuとUから分離することなくNp含有量を測定できることを確認した。本分析法は、物性測定試験用のNp含有MOX燃料中のNp含有量を分析するための迅速簡便法として十分適用できる。

報告書

燃料製造システムの技術検討書-実用化戦略調査研究フェーズ1成果報告書-

河野 秀作; 田中 健哉; 小野 清; 岩佐 勝令; 星野 康史; 新開 康夫; 紫牟田 拓志

JNC-TY9400 2001-023, 362 Pages, 2001/07

JNC-TY9400-2001-023.pdf:16.74MB

FBRサイクル実用化戦略調査研究においては、安全性の確保を前提とし、経済性、資源有効利用性、環境負荷低減性及び核拡散抵抗性に優れた FBRサイクルシステムの開発を目標としている。これを踏まえ、燃料製造システムの検討では主に、ペレット法、振動充填法及び鋳造法を基本プロセスとする製造システムについて、酸化物燃料、金属燃料等のシステム概念を構築した。これらの概念検討に対し、安全性、経済性、環境負荷低減性等のシステム特性評価を行い、技術課題を抽出した。本報告書はフェーズI における二年間の成果を取りまとめたものである。フェーズ1 の成果として、各燃料製造システムの概念設計を行い、システム特性について評価を行った結果、システム成立性に関する見通しと、実用化に向けた技術課題が明らかになった。システム特性評価の結果、経済性に関しては、いずれの製造システムとも200tHM/yブラントであれば経済性目標を達成できるが、500tHM/yプラントでは大幅な合理化が必要なことが明らかとなった。その他、環境負荷低減性に関しては、振動充填法の酸化物電解法、フッ化物揮発法が優れ、実用化に向けた課題としてはフッ化物揮発法、被覆粒子法が多いこと等が明らかとなった。

論文

INFLUENCE OF NP ON SINTERING BEHAVIOR AND PHASE SEPARATION FOR (PU,NP,U)02-X

森本 恭一; 西山 元邦; 加藤 正人; 遠藤 秀男; 河野 秀作

Global2001, 0 Pages, 2001/00

約30%Puを含んだMOXにNpを0、5、12%含有MOXペレットを調製し、焼結特性に及ぼすNpの影響を把握するとともに、熱処理条件とO/Mの関係を把握し、O/Mを1.91$$sim$$2.00の範囲の試料を調製して相分離挙動を評価した。評価には密度測定、X線回折測定、光学顕微鏡観察を用いた。試験の結果、Npの含有による密度が低下し、Npは焼結中の緻密化を遅くする効果があることがわかった。また、O/M=1.91$$sim$$2.00の試料について、相状態を観察し、MOXとNp含有MOXの相安定性はほぼ同じであることがわかった。

論文

DEVELOPMENT OF COMPACTION TECHNOLOGY OF VIBRO-COMPACTION FUEL FABRICATION

宮本 寛; 鈴木 政浩; 重留 義明; 河野 秀作

Global2001, 0 Pages, 2001/00

振動充填燃料の充填挙動に影響するファクターを明確にするため、各種試験を実施した。球状粒子の充填挙動について幾何学的ファクターと動的ファクターに分けて影響評価を行い、幾何学的ファクターについては充填密度がAyerにより導かれた被覆管及び粒子の径が一義的に定まることがわかった。

論文

Conceptual Design Study of Advanced Fuel Fabrication Systems

田中 健哉; 河野 秀作; 小野 清

GLOBAL2001, 0 Pages, 2001/00

実用化戦略調査研究として実施した燃料製造システムの設計研究のフェ-ズI成果をまとめた。燃料製造システムとしてホットセル内での遠隔保守を前提とする低除染燃料製造概念を構築した。ペレット法、振動充填法又は鋳造法を基本プロセスとした、それぞれのシステムの経済性評価結果を実施し、各システムの大規模製造プラントにおいて目標コストを達成できる可能性を示した。

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