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報告書

ジルカロイ-4とMDAの機械特性に及ぼす水素吸収と中性子照射の影響(共同研究)

永瀬 文久; 菅野 光照*; 小澤 正明*; 小松 和志*; 古田 照夫*

JAERI-Research 2001-008, 61 Pages, 2001/03

JAERI-Research-2001-008.pdf:2.62MB

水素吸収及び中性子照射が軽水炉高燃焼度燃料被覆管の機械的特性に及ぼす影響に関し系統的な知見を得るために、さまざまな水素濃度を有するジルカロイ-4とMDA被覆管をJMTRにて照射し、引張試験を実施した。水素濃度範囲は10~140wtppmとした。照射量は1.1~3.6$$times$$10$$^{25}$$n/m$$^{2}$$(E>1MeV)であった。293及び633Kにおける試験により、水素濃度及び照射量に依存する機械特性の変化が調べられた。それらの変化は、ジルカロイ-4とMDAではほぼ同等であった。いずれの試験温度でも、800wtppm以上の水素濃度を有し照射された被覆管は、著しく小さな破断伸びを示すことがあった。このような破断伸びの著しい低下は、水素吸収量や照射量からは予想されない。本試験結果は、非常に高い水素濃度を有する照射被覆管において、水素吸収と照射の重畳的な影響を考慮する必要があることを示唆している。

論文

Thermal diffusivity of high burnup UO$$_{2}$$ pellet

中村 仁一; 内田 正明; 上塚 寛; 古田 照夫

IAEA-TECDOC-1036, 0, p.127 - 138, 1998/08

燃焼度63MWd/kgUの高燃焼度UO$$_{2}$$ペレットの熱拡散率をレーザーフラッシュ法により室温から最高温度1800Kにかけて測定した。高燃焼度ペレットの熱拡散率は、未照射ペレットに比べて室温で半分以下に低下したが、両者の差は温度の上昇とともに小さくなる傾向を示した。測定最高温度を上昇させながら測定を繰り返したところ、熱拡散率は、800K~1200Kにかけて次第に上昇する傾向を示した。これは照射損傷の回復による熱拡散率の上昇であると推定される。試料間の熱拡散率のばらつきは主として試料密度の差で説明できることが明らかとなった。また、高燃焼度ペレットの熱拡散率は固溶FPを添加して化学的に高燃焼度燃料を模擬したSIMFUELに比べてやや小さかった。これはSIMFUELには含まれない照射損傷やFPガス気泡の影響と考えられる。

論文

Thermal diffusivity of high burnup UO$$_{2}$$ pellet irradiated at HBWR

中村 仁一; 古田 照夫; 助川 友英

HPR-347, 12 Pages, 1996/00

ハルデン炉で63MWd/kgUまで照射されたUO$$_{2}$$ペレットの熱拡散率を室温から1800Kにかけてレーザーフラッシュ法により測定した。高燃焼度UO$$_{2}$$の室温での熱拡散率は、未照射UO$$_{2}$$の熱拡散率に較べて半分以下に低下しており、両者の差は温度の上昇とともに小さくなる傾向を示した。温度を上昇させながら測定を繰り返したところ、高燃焼度UO$$_{2}$$の熱拡散率は、800Kから1200Kにかけて次第に上昇する傾向を示した。これは照射損傷の回復によるものと推定される。また、試料間で熱拡散率のばらつきが見られたが、これはペレットのミクロ組織(試料密度、金属FP等)の影響であると推定された。測定された熱拡散率は、模擬高燃焼度燃料SIMFUELの値よりやや小さい傾向を示した。また、測定された熱拡散率から評価した熱伝導度の燃焼度による相対的な低下の割合は、ハルデン炉の燃料中心温度測定データからの評価値と良い一致を示した。

報告書

出力変動時のFPガス放出; JMTRにおける動力炉燃料再照射試験

中村 仁一; 遠藤 泰一; 石井 忠彦; 清水 道雄; 古田 照夫

JAERI-Research 95-083, 38 Pages, 1995/11

JAERI-Research-95-083.pdf:1.42MB

敦賀1号炉で照射された燃料棒を短尺化して燃料棒内圧計を再計装し、JMTR出力急昇試験設備を用いて、出力変動時のFPガス放出挙動を明らかにするための再照射試験を実施した。試験は最高出力約40kW/mでの定常運転と出力サイクル運転を行い、燃料棒内圧変化を測定した。出力変動時、特に出力低下時に顕著な燃料棒内圧の上昇が観察された。また、その上昇幅は直前の高出力保持時間に依存した。出力レベルを30,35,40kW/mと変化させて定常運転と出力サイクル運転を繰り返すと、いずれの出力レベルでも出力サイクル運転は定常運転に比べてFPガス放出をやや加速させる傾向を示した。この出力低下時のFPガス放出は、出力低下時の熱応力に起因する、結晶粒界上のFPガス気泡からの放出であろうと推定される。

報告書

ジルコニウム合金の水素脆化に関する研究の現状と課題

永瀬 文久; 清野 俊*; 小松 和志*; 古田 照夫

JAERI-Review 95-012, 122 Pages, 1995/08

JAERI-Review-95-012.pdf:4.42MB

軽水炉燃料の高燃焼度化に伴い、ジルカロイ燃料被覆管の水側腐食量と水素吸収量が増加する。そのため、ジルカロイの水素脆化が燃料棒の寿命を決定する主な要因のひとつになると考えられる。本報告では、照射材を含むジルコニウムとその合金の水素脆化に関するこれまでの研究をレビューし、高燃焼度燃料被覆材の延性低下に関する研究課題を検討した。ジルコニウム合金の水素脆化に関してこれまでに多くの基礎的な研究がなされてきた。しかし、高燃焼度燃料被覆管の脆化機構は複雑であり、特に、水素化物と照射欠陥が複合的に大きな効果を及ぼすと考えられる。更に高い燃焼度まで燃焼させた被覆管の延性低下を適切に評価するためには、系統的な試験によりこれら2つの因子による複合的な影響を把握する必要がある。

論文

Oxide layer-thickness measurement on fuel cladding for high burnup HBWR fuel rods using eddy current method (Non-destructive examination)

仲田 祐仁; 天野 英俊; 関田 憲昭; 西 雅裕; 中村 仁一; 古田 照夫; 助川 友英; 石本 清

HPR-345, 0, 9 Pages, 1995/00

ノルウェーのハルデン炉で照射された高燃焼度燃料棒7本が平成3年1月に原研燃料試験施設に搬入され照射後試験が実施されてきた。その照射後試験の中から非破壊による燃料棒の外面酸化膜厚さ測定について、測定技術及び測定結果を報告する。燃料棒の外面酸化膜厚さ測定は、渦電流法を用いた膜厚測定であり、燃料棒の軸方向及び周方向の酸化膜厚さ分布を把握することが可能である。ハルデン高燃焼度燃料棒の酸化膜厚さは、最大で約22$$mu$$mであり、燃焼度及び照射期間からみると商用LWR燃料棒に比べて低い値であった。また、この酸化膜厚さ測定結果を基にして燃料棒直径測定データの再評価を実施し、燃料被覆管の外形変化を求めた。

論文

Post-irradiation examination of high burnup HBWR fuel rods at JAERI

中村 仁一; 上塚 寛; 河野 信昭; 大枝 悦郎; 助川 友英; 古田 照夫

HPR-345 (Vol. II), 0, 13 Pages, 1995/00

ハルデン炉で最高燃焼度62MWd/kgUまで照射された7本の燃料棒の照射後試験が原研で実施されており、現在までに全ての非破壊試験と一部を除いた大部分の破壊試験が終了した。このうち3本の燃料棒は16年間にわたって照射されており、金相試験で照射初期の高出力時に生じたと推定される顕著な柱状晶の成長と中心孔の形成が観察された。これらの燃料棒のFPガス放出は、製造時の燃料密度より、柱状晶の成長と中心孔の形成に大きな影響を受けていると推定された。ペレットの径方向燃焼度分布測定がマイクロサンプリングした試料の化学分析によりなされ、XMA分析によるPuとNdの径方向分布と良い一致を示した。またペレットの平均燃焼度は出力履歴から推定された燃焼度と良い一致を示した。高燃焼度UO$$_{2}$$の熱拡散率測定データについても報告を行う。

報告書

高燃焼度燃料の安全性に関する基礎研究

古田 照夫

JAERI-Tech 94-027, 152 Pages, 1994/11

JAERI-Tech-94-027.pdf:6.45MB

軽水炉燃料の高燃焼度化に伴い添加されるガドリニアの燃料挙動に及ぼす影響を把握するに必要な基礎的データの取得、ジルカロイ被覆に関する水素吸収についての熱力学的データの取得、FPとの関係でペレット-被覆に生ずる癒着や炉心構造材の捕集についてのデータ取得を行った。その結果、ガドリニアがU/Zr反応を遅らせる影響を与えることや固溶体状態についての知見を得た。ジルカロイ被覆の水素化では溶解熱に差異が生じることや固溶酸素が水素吸収に影響することが分かった。FPのPdは、Zrと反応を生じること、Csはインコネルの腐食を加速するが、その影響は小さいこと等が明らかになった。

報告書

TRUリサイクル研究のためのバックエンド試験施設概念の検討

藤根 幸雄; 臼田 重和; 森田 泰治; 吉田 善行; 鈴木 康文; 古田 照夫; 東稔 達三; 太田 和明*; 西村 健二*; 長谷川 伸一*

JAERI-M 93-211, 87 Pages, 1993/11

JAERI-M-93-211.pdf:2.42MB

将来の核燃料サイクルにおいては、Puリサイクル利用を進めてエネルギー資源を確保する必要があるが、これを推進するためには、発電炉で発生するTRU核種を分離回収して放射性廃棄物の長期毒性を低減させることが重要となる。本報告では、「軽水炉将来技術総合試験施設」においてTRUを含む超高燃焼Pu試験燃料を処理してTRUをリサイクル利用することを目的としたバックエンド技術の開発研究を行う試験施設概念について検討した。

報告書

超高燃焼燃料の研究開発課題の検討; 燃料ペレットの開発

林 君夫; 天野 英俊; 鈴木 康文; 古田 照夫; 永瀬 文久; 鈴木 雅秀

JAERI-M 93-100, 175 Pages, 1993/06

JAERI-M-93-100.pdf:5.41MB

燃料の高燃焼度化、Puの本格的利用、超ウラン元素(TRU)の消滅処理という観点から、燃焼度100GWd/tを目標とする超高燃焼燃料の概念が提唱されている。著者らは、燃料、ペレットおよび被覆材の研究開発課題を検討してきたが、本報告書はそのうち燃料ペレットについての検討結果を記述したものである。燃料とFPの化学状態、照射挙動(FPガス放出とスエリング)使用済み燃料の溶解性について調査検討した。また、TRU酸化物の物性データの整理、TRU添加燃料の製造および照射挙動に関する課題の整理を行った。全体としては、燃料ペレットの設計および評価に必要な基礎的データや知見を蓄積していくことの必要性が明らかになった。最後に、今後の研究開発の進め方について提言を行った。

報告書

超高燃焼燃料の研究開発課題の検討; 被覆材の開発

永瀬 文久; 鈴木 雅秀; 古田 照夫; 鈴木 康文; 林 君夫; 天野 英俊

JAERI-M 93-104, 116 Pages, 1993/05

JAERI-M-93-104.pdf:3.64MB

軽水炉においては、ウラン燃料の高燃焼度化とともにプルトニウムの本格利用が重要な課題である。MOX燃料では、より高い燃焼度を得ることが、経済性向上やプルトニウム有効利用の点で望ましい。このような観点から、集合体最高燃焼度100GWd/tを目標とした「超高燃焼度」の概念が提唱されており、燃料ペレットと被覆材の開発について検討した。本報告では被覆材に関する検討結果を示す。超高燃焼燃料を成立させるためには、ジルカロイに比べ耐食性が優れ照射劣化の小さな被覆材の開発が不可欠である。本報告では、ジルコニウム基合金、ステンレス鋼、チタン基合金、セラミックス等の耐食性、機械的性質、照射効果等を調べた。これを基に、水側腐食及び照射による機械的性質の変化の点から、これらの材料の被覆材としての可能性を検討した。検討の結果から、現時点での候補材料と研究課題をあげ、超高燃焼燃料の今後の開発方針を示した。

報告書

新型燃料開発のための燃料製作・試験施設及び照射後試験施設の概念

天野 英俊; 長谷川 圭佑; 山原 武; 鈴木 康文; 古田 照夫

JAERI-M 93-103, 75 Pages, 1993/05

JAERI-M-93-103.pdf:2.35MB

軽水炉将来技術開発計画特別チームでは、1990年7月以来、軽水炉将来技術と総合試験施設構想(試験炉、燃料関連試験施設、炉工学関連試験施設等)の検討を行ってきた。燃料関連試験施設のうち燃料製作・試験施設では、超高燃焼度を目指した高プルトニウム富化MOX燃料、TRU含有燃料等新型燃料の照射試験用燃料の製作並びにその確性及び特性試験が行えることを想定している。また照射後試験施設では、これらの燃料の照射後試験が行えること、特に物性試験が行えることを想定している。加えて試験後の継続照射を行えるよう考慮している。本報告書は、燃料製作・試験施設及び照射後試験施設の概念、具備機能、施設構造について述べたものであり、さらにこれら施設・設備の安全予備解析を行い、その結果、基本的にはこれまでの施設設計概念で充分施設の安全性が確保しうることが確認された。

論文

最近の軽水炉用燃料被覆管開発

古田 照夫

原子力工業, 39(5), p.44 - 49, 1993/00

軽水炉燃料は経済性向上の観点から燃焼度延伸が行われ、これにともなう被覆管の性能向上が図られている。とりわけ、燃料の高燃焼度化を制約する因子と考えられている被覆水側腐食に対する耐食性改善が精力的に進められている。本報では、国内外におけるジルカロイ被覆に対する耐食性改善状況を概説するとともに、腐食機構に関する研究現状をまじえて開発の動向を解説する。

報告書

高温における銀とジルカロイ-4の反応性

永瀬 文久; 大友 隆; 上塚 寛; 古田 照夫

JAERI-M 92-179, 31 Pages, 1992/11

JAERI-M-92-179.pdf:2.66MB

ジビアアクシデント時におけるPWR用銀-インジウム-カドミウム制御棒合金とジルカロイの反応は、集合体溶融に大いに影響を及ぼすし、著者らはジルカロイ-4と制御棒合金の反応を調べすでに報告をした。この複雑な反応系のメカニズムを探るために、合金の主成分である銀とジルカロイ-4を、アルゴン中1273~1473Kで等温加熱しジルカロイの溶解挙動を調べた。本実験の結果と制御棒を用いた試験の結果を比較し、インジウムの寄与を考察した。反応速度は制御棒合金を用いた反応と同様に、試験温度の上昇とともに増大したが、低温側で制御棒材/ジルカロイ反応に比べて小さかった。この差は主に銀と制御棒合金の融点の差によるものと考えられる。1473Kでは2つの反応速度はほぼ同等であった。反応時間の経過に伴うジルカロイの肉厚減少はほぼ2乗則に従った。各温度での反応速度定数と見かけの活性化エネルギ580.8kJ/molを求めた。

報告書

軽水炉燃料被覆管の腐食研究の現状と今後の方向

鈴木 元衛; 古田 照夫

JAERI-M 92-162, 57 Pages, 1992/11

JAERI-M-92-162.pdf:1.97MB

近年軽水炉燃料の高燃焼度化が要求されている。燃料の燃焼度伸長にとって最大の制約要因は、被覆管の水側腐食であると予測されている。この腐食に関して、BWRではノジュラー腐食が、PWRでは照射環境での腐食速度加速が問題である。これらの問題に関して、精力的な研究をとおして多くの知見が得られており、耐腐食性に優れた被覆材料の開発の試みも行なわれているが、なお依然として照射環境下での腐食には大きな未知要因が存在する。本報告は、被覆管の水側腐食の研究の現状をまとめ、それにもとづき今後の研究の方向を検討したものである。

論文

日本原子力研究所燃料安全工学部燃料挙動安全研究室

古田 照夫

核燃料, (17), p.17_44 - 17_45, 1992/06

日本原子力学会の核燃料研究者を対象に当研究室の活動状況を紹介する。即ち、軽水炉燃料の高燃焼度時及び負荷追従時の健全性研究として実施しているJMTR照射試験、照射後試験等、ハルデン原子炉計画による国際協力研究及び燃料ふるまい解析コード開発についての簡単な成果と今後の予定である。また、炉心損傷時の燃料ふるまいとして、TMI-2号炉のデブリ分析試験を紹介する。

報告書

高温における銀-インジウム-カドミウム制御棒合金とジルカロイの反応性

永瀬 文久; 大友 隆; 上塚 寛; 古田 照夫

JAERI-M 92-001, 28 Pages, 1992/02

JAERI-M-92-001.pdf:2.39MB

加圧水型軽水炉のシビアアクシデント時における、溶融した制御棒合金とジルカロイの反応性を調べるために、銀-インジウム-カドミウム制御棒合金とジルカロイ-4を、アルゴン中、1273K~1473Kの温度範囲で等温反応させた。反応速度は試験温度の上昇とともに増大し、1473K60秒間の反応でジルカロイの肉厚は約1mmが減少した。反応時間の経過にともなうジルカロイの肉厚減少はほぼ2乗則に従った。各温度での反応速度定数を求めるとともに、反応の見かけの活性化エネルギ約334KJ/molを求めた。また、反応試験後、金属顕微鏡やEPMAを用いて反応相の金属組織や元素の移動を調べた。

報告書

超長寿命軽水動力炉心の設計研究

内藤 俶孝; 古田 照夫; 市川 博喜; 高野 秀機

JAERI-M 91-028, 151 Pages, 1991/03

JAERI-M-91-028.pdf:4.53MB

軽水動力炉におけるプルトニウムの有効利用を目指し、超変燃焼度の達成が可能な超長寿命軽水動力炉心とそれを含むTRU閉じ込め燃料サイクルを提案した。超長寿命炉心については、プルトニウム高富化MOX燃料と$$^{238}$$Uの特殊吸収棒を用いる単純な機構により、低過剰反応度と負のボイド係数を確保しながら100GWd/t以上の燃焼度を達成するシナリオを得た。さらに、TRUを可燃毒物として添加することにより、全燃焼期間にわたって反応度変化を小さくすることができた。また、TRUを超長寿命炉心で繰り返し燃焼させることにより、全体としてTRU総量の増大のない「TRU閉じ込め燃料サイクル」が成立する見通しが得られたため、その概念を検討するとともに長期燃焼に伴う燃・材料の特性の変化、再処理、輸送、MOX加工等燃料サイクルに係わる問題点及び必要な研究開発施設について検討し、課題を整理した。

報告書

PWR版FEMAXI-IIIコードによるハルデン軽水炉燃料出力急昇試験についての検討

中村 仁一; 池田 弘章*; 古田 照夫; 森 一麻*

JAERI-M 91-027, 36 Pages, 1991/03

JAERI-M-91-027.pdf:1.03MB

PWR版FEMAXI-IIIコードを用いて、ハルデン炉で行った軽水炉燃料出力急昇試験についての検討を行った。照射実験データによるコードの検証を行い、クリープダウン、燃料棒直径変化、リッジ高さについては、計算値は実測値と良い一致を示し、PWR版FEMAXI-IIIコードが、PWR型燃料棒の挙動解析に十分な性能を持つことが示された。また、このコードを用いてペレット形状の効果及び燃焼度の効果を明らかにした。一方、試験炉による出力急昇試験条件の違いについても検討を行い、炉型及び燃料仕様による出力急昇時の燃料挙動への影響を調べた。その結果、商用PWR条件及びハルデン炉条件でそれぞれ出力急昇試験を行った場合、燃料中心温度及び被覆管最大応力は、ハルデン炉軽水炉ループ内で照射した場合より、やや大きくなることが明らかになった。

論文

Some investigation on Halden LWR ramp test by FEMAXI-III(PWR version)

中村 仁一; 古田 照夫; 池田 弘幸*; 森 一麻*

HPR-339/13, 22 Pages, 1991/00

FEMAXI-IIIをPWR燃料用に改良したPWR版FEMAXI-IIIコードを用いて、ハルデン軽水炉燃料出力急昇試験についての考察を行った。出力急昇試験データを用いて、当コードの検証を行い、燃焼度20MWd/kgUO$$_{2}$$までの範囲で当コードは、PWR燃料の燃料挙動解析において充分な性能を持つことが示された。また、燃料パラメータについての考察を行い、ペレット形状と燃焼度の効果を明らかにした。このコードを用いてハルデン軽水炉燃料出力急昇試験条件とHBWR条件及びPWR条件での出力急昇時の燃料挙動の比較を行った。その結果、ハルデン軽水炉燃料出力急昇試験では、燃料中心温度、被覆管応力とも、HBWR条件及びPWR条件より小さくなることが明らかとなった。

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