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論文

多様な原子燃料の概念と基礎設計,5; 高温ガス炉と溶融塩炉の燃料

植田 祥平; 佐々木 孔英; 有田 裕二*

日本原子力学会誌ATOMO$$Sigma$$, 63(8), p.615 - 620, 2021/08

日本原子力学会誌の連載講座「多様な原子燃料の概念と基礎設計」の第5回として「高温ガス炉と溶融塩炉の燃料」の題目で解説を行う。高温ガス炉の燃料である被覆燃料粒子は、高温ガス炉の高温の熱供給や優れた固有の安全性を支える鍵となる技術の一つである。本稿では高温ガス炉燃料の設計,製造技術,照射性能,実用化並びに高度化開発について述べる。一方、溶融塩炉で用いる溶融塩燃料は燃料自体が液体という特殊なものである。安全性や事故時の環境への影響など優れた性能が期待されているが、まだまだ明らかにすべき課題も多い。その現状について概説する。

論文

Development of cesium trap material for coated fuel particles in high temperature gas-cooled reactors

佐々木 孔英; 三浦 柊一郎*; 福元 謙一*; 後藤 実; 大橋 弘史

Proceedings of 28th International Conference on Nuclear Engineering; Nuclear Energy the Future Zero Carbon Power (ICONE 28) (Internet), 6 Pages, 2021/08

高温ガス炉燃料用のCsトラップ材を開発するため、BiとSbを候補材としてCs-BiやCs-Sbをグラファイト吸収させた試験片を準備し、1500$$^{circ}$$Cまでの熱分析(TG)にて高温下における化学的安定性を評価した。実験の結果、Csは、BiよりもSbと化合することで1500$$^{circ}$$C CTGを経ても良好な安定性を確認できた。なお、何れの試験片においても800$$^{circ}$$Cから1000$$^{circ}$$Cの領域で見られた急激な重量減少は、試験片からCs(沸点671$$^{circ}$$C)が蒸発したためと考えられる。TG後のCs-Sb/グラファイト試験片中にCs-Sb析出物が見られ、その組成はCs$$_{3}$$Sbと同定できた。この実験結果から、Sbはグラファイト中に分散させるCsゲッター材として機能し得ることが分かった。今後、高温ガス炉燃料へのCsトラップ材としての適用性を評価するためには長時間加熱試験の実施が求められる。

論文

High temperature gas-cooled reactors

武田 哲明*; 稲垣 嘉之; 相原 純; 青木 健; 藤原 佑輔; 深谷 裕司; 後藤 実; Ho, H. Q.; 飯垣 和彦; 今井 良行; et al.

High Temperature Gas-Cooled Reactors; JSME Series in Thermal and Nuclear Power Generation, Vol.5, 464 Pages, 2021/02

本書は、原子力機構における今までの高温ガス炉の研究開発の総括として、HTTRの設計、燃料、炉内構造物や中間熱交換器などの要素技術の開発、出力上昇試験、950$$^{circ}$$Cの高温運転、安全性実証試験などの運転経験及び成果についてまとめたものである。また、HTTRでの知見をもとに、商用炉の設計、高性能燃料、ヘリウムガスタービン、ISプロセスによる水素製造などの要素技術開発の現状について記述しており、今後の高温ガス炉の開発に非常に有用である。本書は、日本機械学会の動力エネルギーシステム部門による化石燃料及び原子力によるエネルギーシステムの技術書のシリーズの一冊として刊行されるものである。

論文

Research and development on high burnup HTGR fuels in JAEA

植田 祥平; 水田 直紀; 佐々木 孔英; 坂場 成昭; 大橋 弘史; Yan, X.

Mechanical Engineering Journal (Internet), 7(3), p.19-00571_1 - 19-00571_12, 2020/06

原子力機構において、750$$^{circ}$$Cから950$$^{circ}$$Cの様々な高温熱利用を目的とした小型実用高温ガス炉や第四世代原子炉フォーラムの提案する超高温ガス炉のための燃料設計が進められてきた。これらの高温ガス炉の経済性を高めるため、原子力機構は従来のHTTR燃料よりも3$$sim$$4倍高い燃焼度においても健全性を保持可能な高温ガス炉燃料の設計手法の高度化を進めてきた。その最新の成果として、カザフスタンとの国際協力の枠組みで実施している高燃焼度高温ガス炉燃料の照射後試験において、燃焼度約100GWd/tにおける高速中性子照射量に対する燃料コンパクトの照射収縮率が明らかとなった。さらに、高燃焼度高温ガス炉燃料の実現に向けた今後必要とされる研究開発について、実験結果に基づいて述べる。

論文

Research and development on high burnup HTGR fuels in JAEA

植田 祥平; 水田 直紀; 佐々木 孔英; 坂場 成昭; 大橋 弘史; Yan, X.

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 8 Pages, 2019/05

原子力機構において、750$$^{circ}$$Cから950$$^{circ}$$Cの様々な高温熱利用を目的とした小型実用高温ガス炉や第四世代原子炉フォーラムの提案する超高温ガス炉のための燃料設計が進められてきた。これらの高温ガス炉の経済性を高めるため、原子力機構は従来のHTTR燃料よりも3$$sim$$4倍高い燃焼度においても健全性を保持可能な高温ガス炉燃料の設計手法の高度化を進めてきた。その最新の成果として、カザフスタンとの国際協力の枠組みで実施している高燃焼度高温ガス炉燃料の照射後試験において、燃焼度約100GWd/thmにおける高速中性子照射量に対する燃料コンパクトの照射収縮率が明らかとなった。さらに、高燃焼度高温ガス炉燃料の実現に向けた今後必要とされる研究開発について、実験結果に基づいて述べる。

論文

Demonstration of under sodium viewer in Monju

相澤 康介; 佐々木 孔英; 近澤 佳隆; 福家 賢*; 神保 昇*

Nuclear Technology, 204(1), p.74 - 82, 2018/10

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

ナトリウム冷却高速炉において、不透明なナトリウム中の検査技術開発が重要である。本稿では、原子炉容器内の障害物を検知するために開発されたナトリウム中可視化装置のもんじゅにおける実証試験の結果を示す。もんじゅでは、原子炉容器内部において超音波センサに正対する位置に反射板を設置している。もんじゅのナトリウム中可視化装置は、障害物の有無による信号強度の変化により、炉心出口上端と炉心上部機構下端の間の障害物を検知する。実証試験では、様々な条件下での基準となる反射信号を蓄積し、SN比が目標値以上確保できることを確認した。また、障害物の有無により、反射信号が明確に異なることを実験的に明らかにし、本ナトリウム中可視化装置は障害物検知に有用であることを示した。

論文

Conceptual plant system design study of an experimental HTGR upgraded from HTTR

大橋 弘史; 後藤 実; 植田 祥平; 佐藤 博之; 深谷 裕司; 笠原 清司; 佐々木 孔英; 水田 直紀; Yan, X.; 青木 健*

Proceedings of 9th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2018) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2018/10

商用炉に向けて高温工学試験研究炉(HTTR)を高度化した高温ガス実験炉のシステム概念検討を実施した。安全設備については、実用炉技術を実証するため、受動的炉容器冷却設備、コンファインメントの採用など、HTTRから高度化を図った。また、商用炉におけるプロセス蒸気供給の技術確立に向けて、HTTRの系統構成から中間熱交換器(IHX)を削除し、新たに蒸気発生器(SG)を設置した。本論文では高温ガス実験炉のシステム概念の検討結果を述べる。

論文

Cs-Te corrosion depth dependence on distribution of chromium carbide precipitation in high chromium steel

佐々木 孔英; 藤村 凌太*; 谷垣 考則; 松原 正典*; 福元 謙一*; 宇埜 正美*

Journal of Nuclear Science and Technology, 54(2), p.139 - 146, 2017/02

AA2016-0211.pdf:2.83MB

 被引用回数:3 パーセンタイル:40.62(Nuclear Science & Technology)

「もんじゅ」で採用しているMOX燃料ピンを高燃焼度化するにあたって、燃焼に伴い発生する核分裂生成物(Fission Product: FP)による燃料被覆管内面腐食(FP腐食)を低減する必要がある。次世代の燃料被覆管候補材として析出強化型フェライト/マルテンサイト鋼や酸化物分散強化鋼などの高クロム鋼が有力とされており、その開発として照射損傷特性や高温強度の観点から材料組成や組織が最適化されてきた。一方、FP腐食に関しては、炉内試験(常陽, BOR-60, Phenix, FFTF)にて数十$$mu$$mの減肉が確認されており、腐食量評価式にて目標燃焼度250GWd/tで約350$$mu$$m(被覆管厚さの約7割)もの腐食量が予測されているにも拘らず、被覆管材料開発に考慮されていない。これまでのFP腐食の基礎研究分野では腐食メカニズムが議論され、Cs-Te化合物と合金中のクロムやクロム炭化物との反応が主な腐食反応とされている。本研究では、耐FP腐食性向上のための基礎研究として、高クロム鋼中の炭化物分布とCs-Te腐食量との関係について調査した。本研究の結果、炭化物が結晶粒界に多く分布している材料組織は、そうでないものより腐食が進展しやすいことがわかった。

論文

Performance test of under sodium viewer in Monju

相澤 康介; 富樫 義則; 佐々木 孔英; 近澤 佳隆; 福家 賢*; 神保 昇*

Proceedings of 2015 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2015) (CD-ROM), p.808 - 816, 2015/05

ナトリウム冷却炉の安全の観点で、不透明なナトリウム中を検査する技術は重要な課題である。もんじゅの原子炉において、障害物を検出するためのナトリウム中可視化装置の開発が実施されてきた。本装置は、もんじゅの炉心に対して、超音波センサーと反射板を対角に設置する。ナトリウム中可視化装置は、炉心出口頂部と炉心上部機構下部の間にある障害物をエコー信号の強度差により検出する。本報告は、出力運転前に実施したもんじゅにおけるナトリウム中可視化装置の性能試験について記述する。試験において、様々な条件下での基本のエコー信号を蓄積し、必要なSN比を満足することを確認した。また、障害物の有無によるエコー信号が大幅に変化することを確認した。これらの実験結果は、開発したナトリウム中可視化装置が炉心出口頂部と炉心上部機構下部の間にある障害物について検出可能な性能を有することを示す。

口頭

The Chemical stability of Al$$_{2}$$O$$_{3}$$ FCCI barrier on oxide fuel pin of sodium fast reactor

佐々木 孔英

no journal, , 

「もんじゅ」で採用しているMOX燃料ピンを高燃焼度化するにあたって、燃焼に伴って発生する核分裂生成物(Fission Product: FP)による燃料被覆管内面への腐食(FP腐食)を解決する必要がある。この腐食を緩和するための従来のアイデアとして、腐食量と相関性のあるMOX燃料内の酸素量を低減するという"燃料側"の対策が挙げられる。今回の国際会議で提案したアルミナバリアは、新型燃料被覆管候補材(鉄クロム合金)に5%程度のアルミニウムを添加し、所定の条件にて熱処理を行うことによって合金表面に防食被膜(アルミナ被膜)を形成するという、これまでMOX燃料ピンに対して研究例の無い"被覆管側"の対策である。熱力学計算によると、アルミナはFPと反応しない安定性を有するとされているが、本研究では実際に合金表面に均質な単層のアルミナ被膜を形成させ、FP腐食試験を実施し、被膜の安定性を実験的に確認することとした。なお、過去の文献によって推測されているFP腐食は3種類(セシウム腐食,セシウムテルライド腐食,ヨウ素腐食)あるため、今回の腐食試験でもこの3種類の腐食試験を実施し、FP腐食に対する被膜の化学的安定性を検証する事とした。腐食試験を実施した結果、セシウム腐食およびヨウ素腐食に対するアルミナ被膜の化学的安定性を確認した。しかし、セシウムテルライド腐食に対しては腐食試験後に被膜が消失しており、熱力学計算によって予め推測していた被膜の安定性に反した結果が得られた。

口頭

R&D results on ZrC-TRISO CFP in JAEA

佐々木 孔英

no journal, , 

Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI)との情報交換会議は公開情報に基づく情報交換を目的として年1回実施しており、今回は第10回会合を5/20$$sim$$21に、韓国の国立済州大学で開催した。原子力機構におけるZrC被覆燃料研究開発の結果について報告した。

口頭

Design of high burnup fuel for HTGR

佐々木 孔英

no journal, , 

「日本原子力研究開発機構とポーランド共和国の国立原子力センターとの間の高温ガス炉技術の分野における研究開発協力に関する実施取決め」の協力項目の一環として、「第3回コジェネレーションと熱利用のための高温ガス炉技術開発セミナー」のために、高温ガス炉の高燃焼度燃料設計手法について発表した。

口頭

Cs捕獲機能を有する高温ガス炉燃料被覆層の開発

佐々木 孔英

no journal, , 

高温ガス炉プラントの被ばく線量低減、原子炉一次系事故時の安全性向上、遮へい壁厚削減に伴うプラントのコンパクト化や建設コスト削減を期待し、Cs捕獲機能を有する燃料被覆材を開発する。Csゲッター材として、BiとSbを選定し、カーボン組織中に模擬Csトラップ化合物を形成させ、1500$$^{circ}$$Cの高温安定性を検証した。Biはカーボン中に析出したもののCs化合物の形成は確認できなかった。Sbはカーボン中にCs化合物(Cs$$_{3}$$Sb等)を形成し、1500$$^{circ}$$Cの高温下でも安定性を示したことから、Csトラップ材として機能を有することが分かった。

口頭

Research and development on materials and coated particle fuels for the simulation of upgrading HTGR

佐々木 孔英

no journal, , 

原子力機構とポーランド国立原子力研究センター(NCBJ)との間で2019年9月20日に署名された「高温ガス炉技術分野における研究開発協力のための実施取決め」に基づき、協力項目の一つである「高温ガス炉の高度化に関するシミュレーションのための材料及び被覆粒子燃料に関する研究開発」について、本発表資料を基に今後の協力について打ち合わせを行う。

口頭

Present status of HTGR development in Japan

佐々木 孔英

no journal, , 

第4世代原子力システム国際フォーラム(GIF)の 超高温炉材料プロジェクト管理委員会(VHTR材料PMB)会議に出席し、日本の超高温ガス炉材料研究の進捗状況や今後の計画を報告する。

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