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論文

Investigation on dust captured by quintuple filters installed upstream of primary gas circulators in HTTR

稲葉 良知; 濱本 真平; 古澤 孝之; 七種 明雄; 坂場 成昭

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(11-12), p.1373 - 1386, 2014/11

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Nuclear Science & Technology)

ヘリウムガス循環機の上流にフィルターを設置する主目的は、1次循環系におけるダストの削減と除去である。HTTRの初期運転時において、フィルターでの差圧が過度に増加し、このまま運転を続けると差圧が運転マニュアルで規制された値を超えるかもしれない、という問題が生じた。化学反応に起因する炭素や機械的接触によるデブリ、あるいはその両方がフィルターによって捕獲されたと推測された。原子力機構は、フィルター差圧増加の原因を特定するため、フィルターを交換し、調査を行った。その結果、差圧増加は、1次ヘリウム純化系に設置されたガス循環機ピストンリングの物理的接触に起因したダストによるフィルターの目詰まりが原因であることがわかった。したがって、ブロックタイプのVHTRは、運転中に炉心から連続的に炭素のダストを供給しない。

論文

Helium leak and chemical impurities control technology in HTTR

栃尾 大輔; 清水 厚志; 濱本 真平; 坂場 成昭

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(11-12), p.1407 - 1412, 2014/11

 被引用回数:4 パーセンタイル:36.81(Nuclear Science & Technology)

原子力機構では、高温ガス炉電力水素併産システムGTHTR300Cの設計開発を行っている。高温ガス炉ではヘリウムガスを1次冷却材として使用している。ヘリウムガスは漏えいしやすい性質を有しているが、放射性物質の環境への放出防止の観点から1次冷却材の漏えい率を厳格に管理する必要がある。さらに、黒鉛材料や金属材料の酸化防止の観点から、1次冷却材の不純物濃度は厳格に管理する必要がある。運転中の1次冷却材の漏えい及び不純物濃度の管理は、高温ガス炉の商用化に向けて重要な因子である。本論文では、原子力機構のHTTR(高温工学試験研究炉)における1次冷却材漏えい及び1次冷却材不純物濃度管理に関する設計概念及び運転経験を示す。更に、高温ガス炉の商用化に必要となるこれらの管理に関する運転経験を得る将来計画について示す。

論文

超高温ガス炉用耐熱合金の脱炭を抑制する冷却材の純度管理設備の効率制御方法の検討

濱本 真平; 坂場 成昭; 竹田 陽一*

日本原子力学会和文論文誌, 9(2), p.174 - 182, 2010/09

高温ガス冷却炉(HTGR)の冷却材ヘリウムにとって、化学的不純物の制御は重要である。脱炭性雰囲気は、熱交換器に使用される耐熱合金のクリープ破断強度を低下させるからである。本論文は、ヒータ,酸化銅ベッド(CuOT),モレキュラーシーブベッド,コールドチャコールベッドとそれぞれのトラップのバイパスラインから成る、既存のヘリウム純化設備を利用して、不純物濃度を能動的に制御する技術について述べる。解析の結果、CuOTの効率制御が脱炭性雰囲気の改善に有効なことを示した。この効果は、除去されずに増加する水素が、水性ガスシフト反応によって浸炭性雰囲気の形成に有効な一酸化炭素の増加に寄与することに基づく。

論文

Helium chemistry for very high temperature reactors

坂場 成昭; 濱本 真平; 竹田 陽一*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(3), p.269 - 277, 2010/03

 被引用回数:6 パーセンタイル:43.83(Nuclear Science & Technology)

超高温ガス炉(VHTR)の1次冷却材であるヘリウムガス中に含まれる化学的不純物は、1次系機器材料の構造劣化,熱物性劣化等に影響し、その寿命に影響を与える。従来、冷却材中の化学的不純物は、炉心に使用される黒鉛の酸化を抑制する観点から、可能な限り化学的不純物を除去する方針とし、上限値が管理されてきた。しかし、この方法では高温材料の熱物性劣化あるいは構造劣化を制御することができず、材料に対して過剰な裕度を持たせた設計が必要であった。そこで、本報では、供用中の高温ガス炉HTTRの実験値をリファレンスとして使用し、解析により高温材料ハステロイXRの熱物性劣化をもたらす炭素析出及び強度劣化をもたらす脱炭を制御可能な化学的不純物制限の考え方を提案した。また、原子力機構が設計した超高温ガス炉GTHTR300Cについて、炉心黒鉛の酸化抑制,高温材料ハステロイXRの熱物性劣化抑制及び強度劣化抑制を可能とする化学的不純物濃度の範囲を示した。提案する制限値を逸脱した場合には、一酸化炭素を付加することにより強度劣化をもたらさない安定領域に導くことができることを見いだし、その必要濃度が10ppmであることを明らかにした。本報は高温ガス炉ヘリウム化学の研究成果として、VHTR商用炉の経済性向上につながることが期待できる。

報告書

Test plan using the HTTR for commercialization of GTHTR300C

橘 幸男; 西原 哲夫; 坂場 成昭; 大橋 弘史; 佐藤 博之; 植田 祥平; 相原 純; 後藤 実; 角田 淳弥; 柴田 大受; et al.

JAEA-Technology 2009-063, 155 Pages, 2010/02

JAEA-Technology-2009-063.pdf:17.27MB

高温ガス炉実用化のために必要となるHTTRを用いた試験計画を立案した。HTTRを用いる試験項目は、燃料性能,核分裂生成物挙動,炉物理,伝熱流動,原子炉運転及びメンテナンスなどであり、これらについて検討し、試験項目を細分化した。HTTRを用いた試験により得られた結果は、原子力機構が設計して世界の代表的な商用超高温ガス炉と認められているGTHTR300Cの実用化に用いることができる。

論文

Active chemistry control for coolant helium applying high-temperature gas-cooled reactors

坂場 成昭; 濱本 真平; 竹田 陽一*

Proceedings of 4th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2008) (CD-ROM), 7 Pages, 2008/09

高温ガス炉の中間熱交換器の伝熱管等に使用される高温材料の長寿命化は、高温機器の供用期間中の交換頻度を下げ、経済性を向上させるために重要である。一方、高温材料の健全性は冷却材ヘリウム中の化学的不純物によるところが大きいため、化学的不純物を原子炉運転中に適切に制御することが必要である。従来、冷却材中の化学的不純物は、炉心に使用される黒鉛の酸化を抑制する観点から、可能な限り化学的不純物を除去するという方針で制御されてきた。しかし、この方法では、高温材料の熱物性劣化あるいは構造劣化を制御することができず、材料に対して過剰な裕度を持たせた設計が必要であった。そこで、本報では、HTTR実験値をリファレンスデータとして使用し、解析により高温材料ハステロイXRの熱物性劣化をもたらす炭素析出及び強度劣化をもたらす脱炭を抑制可能な化学的不純物の制限値を提案した。制限値を導出するにあたっては、純化設備及び注入設備に過剰な負担を強いることがない化学的不純物組成とした。また、提案する制限値を逸脱した場合には、一酸化炭素を付加することにより強度劣化をもたらさない安定領域に導くことができることを見いだし、その必要濃度が10ppmであることを明らかにした。提案する化学的不純物アクティブ制御法は、将来高温ガス炉の経済性向上につながることが期待できる。

論文

R&D of lifetime extension for primary materials by active chemistry control for coolant helium; A Study of chemical equilibrium in the HTGR core

坂場 成昭; 濱本 真平; 竹田 陽一*

Transactions of the American Nuclear Society, 97(1), p.678 - 680, 2007/11

ヘリウムガス冷却炉の固有の安全性は、冷却材に使用するヘリウムガスの化学的不活性さによるところが大きい。ヘリウムガスは希ガスであり、相変化がなく化学的に極めて安定であるが、ヘリウムに内包する化学的不純物は高温材料の表面に作用し、その寿命に影響を与える。従来、冷却材ヘリウム中の不純物管理は、炉心黒鉛の酸化防止の観点から純化設備による単純除去を行ってきた。しかし、この方法では、例えば高温機器のクリープ破断時間を支配する冷却材中の炭素活量と酸素分圧のバランスを制御することができないため、1次系構造材の劣化を管理することができなかった。高温機器を経済的かつ合理的に設計するためには、不純物濃度をソフト的手法により最適制御することが重要である。そこで、ヘリウム中原子炉機器の長寿命化を目指し、化学状態に呼応しながら化学的不純物をヘリウム中に積極的に注入可能なパルス状アクティブ制御法を開発する。研究開発の第一段階として、炉心における高温放射線下の化学平衡の解明を行う。化学的不純物の生成は、熱平衡に加え炉心における放射線分解(ラジカル反応,イオン反応)が相互に影響した結果、化学平衡的に決定される。本報では、支配的条件における化学平衡式の温度別な解明及び化学的不純物相互の影響を検討し、かつHTTRにおける実験データを適宜参照しながら、炉内における支配的な化学平衡を明らかにした。

論文

R&D of lifetime extension for primary materials by active chemistry control for coolant helium; Corrosion tests of heat resistant alloy

竹田 陽一*; 濱本 真平; 坂場 成昭

Transactions of the American Nuclear Society, 97(1), P. 677, 2007/11

ヘリウムガス炉の伝熱管等の高温材料として使用されるハステロイXRの腐食特性評価のため、腐食試験装置を製作した。腐食試験はヘリウム中に微量の化学的不純物を混合し、不純物組成が高温環境下において材料に与える影響を評価した。一酸化炭素濃度をパラメータとした腐食試験後の走査電子顕微鏡による表面観察の結果、ウィスカ状の酸化物の下地に針状酸化物が分布するが、一酸化炭素濃度の違いによりその成長過程に差があることを見いだした。加えて、質量評価の結果、酸化による質量増加と脱炭による質量減少の進行速度に相違があることを突き止めた。今後さらなる試験を通して、より定量的に解明する。

論文

Structural integrity assessments of helium components in the primary cooling system during the safety demonstration test using the HTTR

坂場 成昭; 橘 幸男; 中川 繁昭; 濱本 真平

Transactions of 18th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT-18), p.4499 - 4511, 2005/08

高温ガス炉固有の安全性を定量的に実証するため、HTTRを用いた安全性実証試験が行われている。安全性実証試験による成果は、将来高温ガス炉及び第四世代原子炉システムの候補の一つであるVHTRの経済性の向上につながることが期待されている。安全性実証試験の一つとして実施されている冷却材流量の部分喪失を模擬した循環機停止試験では、温度及び冷却材であるヘリウム中の不純物組成が過渡状態となる。そこで、循環機停止試験における、温度及びヘリウム中の化学組成の実測値をもとに、1次系の主要な機器である、高温二重管,1次加圧水冷却器等の健全性を評価した。温度変化に基づく応力評価及び化学組成変化による炭素析出の評価の結果、原子炉出力100%からの試験における1次系主要機器の健全性が確認された。

論文

Single-, double- and triple-electron capture cross sections for multicharged slow carbon ions in H$$_{2}$$,CH$$_{4}$$,C$$_{2}$$H$$_{6}$$,C$$_{3}$$H$$_{8}$$ and CO$$_{2}$$ molecules

伊藤 秋男*; 今西 信嗣*; 福沢 文男*; 濱本 成顕*; 塙 信一*; 田中 隆次*; 大平 俊行*; 斉藤 学*; 春山 洋一*; 白井 稔三

Journal of the Physical Society of Japan, 64(9), p.3255 - 3264, 1995/09

 被引用回数:20 パーセンタイル:71.49(Physics, Multidisciplinary)

H$$_{2}$$、CH$$_{4}$$、C$$_{2}$$H$$_{6}$$、C$$_{3}$$H$$_{8}$$及びCO$$_{2}$$分子とC$$^{q+}$$(q=1-4)イオンとの衝突による1-、2-、3-電子捕獲断面積を衝突エネルギー(1-20)q keVの領域で測定した。本研究で測定された断面積は、殆んど衝突エネルギーに依存しない。しかし分子の電離エネルギーに強く依存すること、また構成原子数に1次に比例することが分かった。1電子捕獲断面積については、古典的障壁モデル、ポテンシャル交叉モデルに基づく理論値と比較した。

報告書

低エネルギー炭素イオンと炭素含有分子との電荷変換衝突断面積

濱本 成顕*; 田中 隆次*; 伊藤 秋男*; 今西 信嗣*; 斉藤 学*; 春山 洋一*; 白井 稔三

JAERI-M 93-202, 45 Pages, 1993/10

JAERI-M-93-202.pdf:1.09MB

Cイオンと分子ターゲットCO$$_{2}$$、CH$$_{4}$$、C$$_{2}$$H$$_{6}$$、C$$_{3}$$H$$_{8}$$の組み合わせにつき0.5~5keV/amuのエネルギー領域で一から三電子捕獲までの断面積を測定した。断面積の測定誤差は約9~20%である。得られた断面積は入射エネルギーにはほとんど依存しないが、入射電荷ならびにターゲットの電離電圧には依存する;分子ターゲットの場合は多電子捕獲の寄与が大きい、等のことが分かった。一電子捕獲過程の結果については、理論モデルと比較して議論した。

口頭

高温ガス炉における化学的不純物挙動; HTTRの2次ヘリウム冷却材における不純物挙動評価

濱本 真平; 小山 直; 江森 恒一; 梅田 政幸; 坂場 成昭

no journal, , 

高温ガス炉の2次ヘリウムは、将来、水素製造装置等の熱利用系に使用されることが期待されている。日本初の高温ガス炉HTTRの2次ヘリウム系は、将来の核熱利用を踏まえ、高温ガス炉の2次冷却材にヘリウムガスを採用したシステムである。本報では、HTTRの2次ヘリウム系の不純物挙動を評価した結果を示す。

口頭

高温ガス炉ヘリウム化学; 化学的不純物アクティブ制御による原子炉材料の長寿命化の研究開発計画

坂場 成昭; 濱本 真平; 竹田 陽一*

no journal, , 

Heガス冷却炉の1次系機器の材料腐食防止を目的に、冷却材中に化学的不純物を注入することによって熱交換器伝熱管等の原子炉材料を長寿命化するためのアクティブ制御法に関する研究開発計画について述べる。

口頭

Helium chemistry in high-temperature gas-cooled reactors Chemical impurity behaviour in the secondary helium coolant of the HTTR

濱本 真平; 坂場 成昭

no journal, , 

HTTRの2次ヘリウム冷却材中の不純物挙動を評価した。不純物除去量を算出し、1次系に対して1/100の量であること、IHX伝熱管が浸炭領域となる不純物組成であることを確認した。

口頭

高温ガス炉ヘリウム化学; 純化設備の温度・流量制御による冷却材中の化学的不純物濃度制御

濱本 真平; 坂場 成昭; 竹田 陽一*

no journal, , 

高温ガス炉の熱交換器等の高温環境下において使用される材料の腐食防止には、冷却材であるヘリウム中に含まれる微量の水分,一酸化炭素,二酸化炭素等の不純物濃度を制御し、酸素分圧及び炭素活量を所定の範囲に保つ必要があるが、従来の純化設備では不純物を連続的に除去する方式をとっており、不純物組成を制御することができなかった。そこで、今回純化設備の運転方法を制御することにより、不純物濃度を簡易的に制御する方法を提案する。

口頭

高温ガス炉ヘリウム化学,1; 高温放射線場における化学平衡に関する研究

坂場 成昭; 濱本 真平; 竹田 陽一*

no journal, , 

化学的に安定な希ガスを冷却材に使用したヘリウムガス炉においてもヘリウム中に含まれる微量不純物が高温材料の腐食に影響し、その寿命を左右する。ヘリウム中の化学的不純物は、熱平衡に加え炉心における放射線分解(ラジカル反応,イオン反応)が相互に影響した結果、化学平衡的に決定される。そこで、化学的不純物相互のあるいは炉心に使用される黒鉛との反応を検討し、また熱平衡についてはThermoCalcコードにより解析し、放射線分解についてはHTTRの実験値を参照し、炉心における高温放射線下における支配的な化学平衡を検討した。その結果、炉心黒鉛と不純物の化学反応(C + CO$$_{2}$$$$rightarrow$$2CO, C+H$$_{2}$$O⇔CO+H$$_{2}$$)、化学的不純物相互の化学反応(CO+H$$_{2}$$O⇔CO$$_{2}$$+H$$_{2}$$)、炉心黒鉛と不純物のラジカル反応(C+O・$$rightarrow$$CO)、不純物の放射線分解反応(CO$$_{2}$$$$rightarrow$$CO+O・, H$$_{2}$$O$$rightarrow$$H・+OH・⇔H$$_{2}$$+O・)がヘリウムガス炉において支配性があることを明らかにした。

口頭

高温ガス炉ヘリウム化学,3; 材料腐食試験装置の製作と表面腐食形態の評価

竹田 陽一*; 濱本 真平; 坂場 成昭

no journal, , 

ヘリウムガス炉の高温材料として使用されるハステロイXRの腐食特性評価のため、腐食試験装置を製作した。腐食試験はヘリウム中に微量の化学的不純物を混合し、不純物組成が高温環境下において材料に与える影響を評価する。試験精度向上のため、腐食試験装置の環境槽の高温ガスに晒される部位はガスに対して不活性である石英で構成するとともに、外部からの不純物の浸入防止のため複数のシール機構(試験中の熱膨張緩和のため稼働が必要とされる部位に二重のOリングを設置、実験に使用する不純物の組成劣化防止のため試験槽内部から排気されるガスを二重Oリングの間隙部に導入した後排気させることにより外部からの不純物の浸入を抑制等)を備えた装置とした。供試材としてハステロイXRを用い、一酸化炭素濃度をパラメータとした腐食試験後の走査電子顕微鏡による表面観察の結果、ウィスカ状の酸化物の下地に針状酸化物が分布するが、一酸化炭素濃度の違いによりその成長過程に差があることを見いだした。また、試験片の質量評価の結果、酸化による質量増加と脱炭による質量減少の進行速度に相違があることを見いだした。今後さらなる試験を通してこれらの現象をより定量的に解明する。

口頭

高温ガス炉ヘリウム化学,2; 高温材料構造健全性維持に優れたヘリウム中化学的不純物組成の検討

濱本 真平; 坂場 成昭; 竹田 陽一*

no journal, , 

超高温ガス炉(VHTR)等のヘリウムガス冷却炉で冷却材中に含まれる化学的不純物は、1次系に使用される材料の構造劣化,熱物性劣化等に影響し、その寿命に影響を与える。本研究ではヘリウムガス炉の実環境下(950$$^{circ}$$C, 5.1MPa)における高温材料(ハステロイXR)の脱炭を抑制し、構造健全性を維持可能な常温常圧下における化学的不純物組成を検討した。ヘリウムガス炉で支配的な化学組成であるH$$_{2}$$, CO, H$$_{2}$$O, CO$$_{2}$$の4分子を0.1ppmから500ppmの範囲で組合せた組成について、ThermoCalcコードを用いて常温常圧から高温高圧に環境が変化したときの平衡組成を比較し、制限すべき化学的不純物を検討した。化学的不純物組成は、常温常圧から高温高圧に昇温昇圧される過程で、化学平衡状態が変化するため、高温高圧下の平衡到達後は多くの組合せが浸炭領域に位置した。また常温常圧で水素濃度が低い組成は、組成変化後、脱炭領域に入る傾向が見られた。したがって、ハステロイXRの脱炭を抑制し、構造健全性を維持するためには、常温常圧下において測定される化学的不純物組成のうち、特にH$$_{2}$$濃度を低く保たないことが重要であることを明らかにした。

口頭

高温ガス炉ヘリウム化学,2; 腐食挙動に及ぼすヘリウム中不純物濃度の影響

竹田 陽一*; 濱本 真平; 坂場 成昭

no journal, , 

ヘリウムガス炉の中間熱交換器に用いられる高温材料ハステロイXRについて、950$$^{circ}$$Cの化学的不純物を含むヘリウムガス中で腐食試験を実施した。腐食増量及び表面観察に基づき腐食形態の評価を行った。その結果、化学的不純物の組成によっては、腐食増量が時間により単調増加となるような有意な差が見られず、脱炭や合金元素の蒸発等による減量が表面酸化物形成による増量と平衡した状態になることが示唆された。

口頭

高温ガス炉ヘリウム化学,1; 不純物注入後の炉内化学平衡による応答特性の検討

濱本 真平; 坂場 成昭; 竹田 陽一*

no journal, , 

高温ガス炉の1次系機器の材料腐食を防止し、長期構造健全性を維持するためには冷却材中の不純物濃度を制御することが必要であり、特に冷却材中の化学的不純物のうち一酸化炭素濃度が重要であることを明らかにしてきた。本報では、一酸化炭素注入後の化学平衡を解析し、冷却材ヘリウム中に必要となる注入量を検討した。ヘリウムガス炉で支配的な化学組成である水素、一酸化炭素、水、二酸化炭素の4分子を0.1ppmから500ppmの範囲で組合せ、MALTコードを用いてヘリウムガス炉の実環境下、すなわち、高温(950$$^{circ}$$C)高圧(5.1MPa)下の平衡組成を解析した。平衡組成の脱浸炭性をクロムの相安定図を用いて評価し、脱炭側に位置する不純物組成を安定領域である浸炭側に導くため、常温常圧における一酸化炭素注入量をパラメータとし、注入後の組成を実機環境の高温高圧下において平衡解析を行った。解析の結果、最も厳しい脱炭側に位置していた組成においても、約10ppmの一酸化炭素を注入することにより浸炭側に導ける見通しが得られた。

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