Reaction behavior between sodium and molten salt caused by the heat transfer tube failure for sodium-cooled fast reactor coupled to thermal energy storage system

佐藤 理花; 近藤 俊樹; 梅田 良太; 菊地 晋; 山野 秀将

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 8, p.137 - 142, 2025/09

https://doi.org/10.15669/pnst.8.137

ナトリウム-溶融塩熱交換器を有する蓄熱式高速炉では、ナトリウム(Na)と硝酸系溶融塩との熱交換器伝熱管破損に至るような仮想的な事故条件下でNaと硝酸系溶融塩との化学反応が発生する可能性がある。そのため、Naと硝酸系溶融塩の反応挙動は、当該システムの安全評価上、重要現象の一つとなっている。本研究では、NaNO-KNOの混合物であるソーラーソルトとNaとの反応試験を実施し、得られた試験結果について検討を行った。その結果、ソーラーソルトの融解が開始した後にNaとの反応が起こることが分かった。試験で得られた反応温度から、速度論的パラメータおよび反応速度を求め、Na-水反応と比較した。その結果、Na-溶融塩熱交換器を有する蓄熱式高速炉の伝熱管破損時の事象進展で勘案すべき時間スケール内にソーラーソルト反応が生じ得ることが分かった。

ナトリウム-溶融塩熱交換器を有する蓄熱式高速炉の安全設計技術開発,3; 硝酸系溶融塩とナトリウムの化学反応

菊地 晋; 佐藤 理花; 近藤 俊樹; 梅田 良太; 山野 秀将

第28回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 4 Pages, 2024/06

蓄熱式ナトリウム(Na)冷却高速炉では、冷却材のNaと蓄熱材の硝酸系溶融塩との熱交換器部位におけるバウンダリ破損に起因した、Naと硝酸系溶融塩との化学反応性を把握することが安全評価上、重要である。本報告では、硝酸系溶融塩とNaとの反応性を把握するため、その第一段階として、硝酸系溶融塩を用いた熱分析試験を実施し、反応性評価に資するベースデータとなる硝酸系溶融塩の基本的な熱的挙動を確認した。さらに、これらの結果を踏まえて、Naと硝酸系溶融塩との反応に関する予備試験を実施した。

Development of safety design technologies for sodium-cooled fast reactor coupled to thermal energy storage system with sodium-molten salt heat exchanger

山野 秀将; 栗坂 健一; 高野 和也; 菊地 晋; 近藤 俊樹; 梅田 良太; 白倉 翔太*; 林 正明*

Proceedings of 8th International Conference on New Energy and Future Energy Systems (NEFES 2023) (Internet), p.27 - 34, 2023/00

https://doi.org/10.3233/ATDE231072

溶融塩蓄熱式高速炉の安全設計方針及びリスク評価技術、ナトリウム-溶融塩の熱交換性能評価技術と伝熱向上方策、及びナトリウム-溶融塩の化学反応特性評価と安全性向上方策を開発する研究プロジェクトを進めている。ここでは、プロジェクト全体概要について報告する。

高速炉蒸気発生器伝熱管のセルフウェステージ現象解明実験

梅田 良太; 下山 一仁; 栗原 成計

日本原子力学会和文論文誌, 19(4), p.234 - 244, 2020/12

https://doi.org/10.3327/taesj.J19.012

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器では、伝熱管を介してナトリウムと水との熱交換が行われるため、何らかの原因により伝熱管が損傷した場合には、Na中に高圧の水/蒸気が漏えいし、Naと水との発熱反応により特有の高温・高アルカリ環境が形成され、隣接伝熱管が損耗する恐れがある。本報ではNa-水反応の起因事象となるセルフウェステージ現象のメカニズムを解明することを目的に、伝熱管の初期欠陥(微細円孔型と疲労き裂型の貫通欠陥)を模擬した試験体を用いて、セルフウェステージが継続的に進展する条件下で実験を実施した結果について述べる。セルフウェステージ率に及ぼす初期貫通欠陥形状(微細円孔,疲労き裂)による影響は有意ではなく、セルフプラグ現象のメカニズムとして、Na酸化物が介在して、セルフウェステージの進行を阻害するものと推察された。本実験及び既往実験で得られたセルフウェステージ率より、従来の相関式では陽に表れなかった初期のNa温度の影響が明確に現れ、この傾向を基に初期のNa温度を考慮した新相関式を導出した。

高速炉蒸気発生器伝熱管のターゲットウェステージ現象解明実験; 流れを伴う高温水酸化ナトリウム環境での腐食実験

梅田 良太; 下山 一仁; 栗原 成計

JAEA-Technology 2017-018, 70 Pages, 2017/08

JAEA-Technology-2017-018.pdf:9.67MB

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器では、低圧のナトリウムから伝熱管を介して高圧の水/蒸気に熱交換される。その伝熱管が破損して水蒸気が漏えいした場合、発熱反応を引き起こし、ナトリウム中に反応ジェットが形成される(ナトリウム-水反応)。反応ジェットは高温・高圧噴流で高アルカリ環境を形成し、この環境に曝された隣接伝熱管は、局所的な減肉により損傷を受け(ターゲットウェステージ)、SG内での影響範囲が拡大する可能性がある。本報告書では、ターゲットウェステージ現象解明を目的として、ナトリウム-水反応時の主要な反応生成物である高温の水酸化ナトリウムと副次的な生成物である酸化ナトリウム(試料)を用いて、ターゲットウェステージの環境因子(試料温度、衝突速度、試料組成割合等)を分離評価できる実験装置及び実験手法を開発した。また、開発した実験装置を用いて流れを伴う高温水酸化ナトリウム及び酸化ナトリウム環境下における腐食実験を実施し、腐食特性に及ぼすターゲットウェステージの環境因子の影響を定量的に評価するとともに、平均腐食速度とウェステージ環境因子との関係を定式化した。

高速炉蒸気発生器伝熱管周囲に形成されるナトリウム-水反応環境を考慮した隣接管ウェステージ評価; 高温水酸化ナトリウムを用いた流れを伴う複合酸化型腐食実験

栗原 成計; 梅田 良太; 菊地 晋; 下山 一仁; 大島 宏之

日本原子力学会和文論文誌, 14(4), p.235 - 248, 2015/11

https://doi.org/10.3327/taesj.J14.038

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器でナトリウム(Na)-水反応が生じると、水漏えい位置に隣接する健全な伝熱管は反応ジェットの影響によって局所的な損耗(ターゲットウェステージ)を受け、破損が伝播して影響範囲が拡大する可能性がある。従来の研究では、実機SGの伝熱管候補材料を対象に、実機SG運転条件を模擬した多くのターゲットウェステージ実験が実施され、反応ジェットを形成するマクロな境界因子でウェステージ速度が評価されてきた。しかしながら、高温・高圧運転が指向される異なるSG型式に対して同様のアプローチで安全評価を行うには、設計上の選択肢に対して汎用性に欠け、設計時の最適化に適さない。本報では、Na-水反応時の主たる反応生成物である、高温のNaOH及びNaOによる実機SG伝熱管材料の流れを伴う複合酸化型腐食挙動を把握することを目的として、ウェステージ環境に影響を及ぼす局所因子を分離可能な実験装置及び手法を開発し、減肉速度に及ぼす試料/供試体(伝熱管材料)温度及び試料衝突速度の影響を定量的に検討した結果について述べる。さらに、実験後供試体の金属組織観察や化学分析に基づき、腐食環境を推察した。

Cooperation on impingement wastage experiment of Mod. 9Cr-1Mo steel using SWAT-1R sodium-water reaction test facility

Beauchamp, F.*; 西村 正弘; 梅田 良太; Allou, A.*

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Safe Technologies and Sustainable Scenarios (FR-13) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2013/03

http://www.iaea.org/nuclearenergy/nuclearpower/Downloadable/Meetings/2013/2013-03-04-03-07-CF-NPTD/T2.5/T2.5.beauchamp.pdf

高速炉SG伝熱管の候補材である9Cr-1Moのウェステージ率測定を原子力機構のSWAT-1R試験施設を使用して実施した。この研究は、JAEA-CEAの国際協力のもと実施されたものである。SWAT-1R試験の概要とウェステージ試験を通して得られた経験や、主要な結果について議論する。

高速炉蒸気発生器における伝熱管ウェステージに関する高温NaOH衝突実験

栗原 成計; 大島 宏之; 下山 一仁; 梅田 良太

日本機械学会論文集,B, 77(776), p.964 - 968, 2011/04

https://doi.org/10.1299/kikaib.77.964

高速炉蒸気発生器(SG)では、万一伝熱管が破損した場合、Na中に高温,浸食性の強い反応ジェットが形成される(Na-水反応)。この反応ジェットに曝される隣接伝熱管は局所的な減肉作用により損傷し、その伝熱管損傷範囲が拡大する可能性がある。JSFRのSGでは、経済性向上のため高温・高圧運転や稠密な伝熱管配列が検討されており、原子力機構ではその合理的安全設計に向けて汎用かつ高精度予測評価を可能とする機構論的Na-水反応現象解析評価手法を開発している。これまで、ウェステージによる隣接伝熱管破損の可能性は、Na-水反応時における計測性や予測解析が困難であることから、反応ジェットの影響をマクロ的境界因子で整理してきた。機構論的評価では、ウェステージ面の温度や近傍での流体流速など局所量による影響を定量評価した現象把握が必要となる。本研究では、ウェステージ現象解明を目的として、主要な反応生成物である高温のNaOHを伝熱管材料に衝突させ、ウェステージ環境因子の影響を分離評価できる実験手法を開発した。本実験手法によりNaOH中静的腐食実験及びNaOH衝突実験で把握した減肉速度に対する温度や速度の依存性について報告する。

高速炉蒸気発生器伝熱管群におけるターゲットウェステージ評価の適用性検討

栗原 成計; 菊地 晋; 梅田 良太; 下山 一仁

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉(SFR)蒸気発生器(SG)伝熱管破損に伴うナトリウム(Na)-水反応時のウェステージ現象について、ウェステージ環境での局所影響因子に着目した新たなウェステージ評価法を構築した。本報では、実機SGの垂直管群体系を模擬したNa-水反応実験を実施し、その適用性を検討した結果について報告する。

高速炉蒸気発生器伝熱管のセルフウェステージ現象解明実験

下山 一仁; 栗原 成計; 菊地 晋; 梅田 良太; 大島 宏之

no journal, , 

ナトリウム(Na)冷却高速炉の蒸気発生器(SG)伝熱管に生じた微細な貫通亀裂から水/蒸気がNa中に漏えいして自管が損傷するセルフウェステージ現象について、微細孔型試験体を用いた高温Na中でのセルフウェステージ実験を実施し、微細亀裂の損耗進展挙動を観察した。微細孔損耗形状の時間変化、損耗部での腐食環境に関する分析データから、腐食進行はNa-Fe複合酸化型腐食であることが推察された。また、長時間事象進展解析手法で適用されている既往のセルフウェステージ相関式の適用性を確認した。