Thinning behavior of solid boron carbide immersed in molten stainless steel for core disruptive accident of sodium-cooled fast reactor

江村 優軌; 高井 俊秀; 菊地 晋; 神山 健司; 山野 秀将; 横山 博紀*; 坂本 寛*

Journal of Nuclear Science and Technology, 10 Pages, 2023/00

https://doi.org/10.1080/00223131.2023.2287109

Boron carbide (BC)- stainless steel (SS) eutectic reaction behavior is one of the most important issues in the core disruptive accidents (CDAs) of sodium-cooled fast reactors (SFRs). In this study, the immersion experiments using BC pellets with molten SS were conducted to evaluate the CDA sequences such as contact event of solid BC with degraded core materials including SS at very high temperature. The immersion experiment aims at understanding the kinetic behavior of solid BC-liquid SS reaction based on the reduced thickness of BC pellet after the experiment in the temperature ranges from 1763 to 1943 K, which is higher than the temperature of solid BC-solid SS reaction. Based on the kinetic consideration of the reaction rate constants for solid BC-liquid SS reaction, it was found that similar temperature dependency was identified between solid BC-liquid SS and solid BC-solid SS. Besides, the reaction rate constants of solid BC-liquid SS were smaller than those of solid BC-solid SS extrapolated in higher temperature region by two or more orders of magnitude due to two different evaluation method for BC side/SS side. It was confirmed that this difference was reasonable through the consideration of previous reaction tests in solid-solid contact for BC side/SS side.

Study on eutectic melting behavior of control rod materials in core disruptive accidents of sodium-cooled fast reactors, 2; Thermophysical properties of eutectic mixture containing of high concentration boron in a solid state

高井 俊秀; 古川 智弘; 山野 秀将

Proceedings of 2020 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 2020) (Internet), 6 Pages, 2020/08

https://doi.org/10.1115/ICONE2020-16091

Eutectic melting behavior between boron carbide (BC) as control rod material and stainless steel (SS) as structural material and subsequent relocation behavior plays an important role to achieve an in-vessel retention concept which ensures long-term coolability of degraded core under core disruptive accident, because these behaviors are expected to reduce the neutronic reactivity significantly. However, these behaviors have never been simulated in severe accident computer codes before. Since 2016, JAEA has been conducting a research project to develop physical models that describe these behaviors. For the physical models' development, it is necessary to obtain thermophysical properties of SS-BC eutectic mixture with various BC concentration and maintain them as a database. In this work, the density and specific heat of SS-17 mass%BC in a solid state are obtained and compared with these of stainless steel containing 0 and 5 mass%BC.

Study on eutectic melting behavior of control rod materials in core disruptive accidents of sodium-cooled fast reactor, 2; Effect of BC addition on thermophysical properties of austenitic stainless steel in a solid state

高井 俊秀; 古川 智弘; 山野 秀将

Proceedings of International Nuclear Fuel Cycle Conference / Light Water Reactor Fuel Performance Conference (Global/Top Fuel 2019) (USB Flash Drive), p.847 - 852, 2019/09

In a core disruptive accident scenario, boron carbide (BC) in control-rod will be predicted to react with stainless steel (SS) as structural material. Produced eutectic material of SS-BC is assumed to relocate widely in the core. To add a function of evaluating this liquefaction and relocation behavior to CDA analysis codes, it is indispensable to maintain the thermophysical properties database of SS-BC. In this report, density and specific heat of SS-7mass%BC in a solid state were obtained, and compared them with those of SS-5mass%BC obtained so far and literature value of SS. It is found that the density decreased while the specific heat increased, as BC concentration in the austenitic stainless steel increased. By addition of 7mass%-BC to 316L SS, the density was decreased by approximately 7% at 294K. On the other hand, specific heat was increased by approximately 21% at 294K.

Examination of I and Cs releases during late phase of Fukushima Daiichi NPP accident by using I/Cs ratio of source terms evaluated reversely by WSPEEDI code with environmental monitoring data

日高 昭秀; 横山 裕也

Journal of Nuclear Science and Technology, 54(8), p.819 - 829, 2017/08

AA2016-0500.pdf:0.44MB

https://doi.org/10.1080/00223131.2017.1323691

福島第一原子力発電所事故の評価では、炉内事象と環境モニタリング測定との結びつきの議論が重要であるが、事故から6年近く経過した現在でも、両者の事象を統合的に扱った研究は必ずしも進んでいない。WSPEEDIコードと環境モニタリングデータから逆算で詳細化されたI/Cs比に基づき、福島事故後期における原子炉建家等の地下汚染水からの気液分配に基づくI放出量を再評価するとともに、これまで検討が行われなかったCs放出挙動に関して化学形や放出機構等について検討した。原子炉建屋等の地下汚染水からのI放出量に関する再評価では、全ソースタームに対する地下汚染水からのI放出の寄与分は約10%となった。また、3/213/23及び3/303/31のI放出量に対するCs放出量の超過は、炉心冷却水がわずかに不足したことに伴う炉心温度の再上昇により、制御材を起源として生成するCsBOの放出でほぼ説明できる見通しを得た。

Basic visualization experiments on eutectic reaction between boron carbide and stainless steel under sodium-cooled fast reactor conditions

山野 秀将; 鈴木 徹; 神山 健司; 工藤 勇*

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles; Next Generation Nuclear Systems for Sustainable Development (FR-17) (USB Flash Drive), 11 Pages, 2017/06

本報は、我が国で設計されている第4世代ナトリウム冷却高速炉(750MWe級)における炉心損傷事故での溶融炉心の炭化ホウ素(BC)とステンレス鋼(SS)の共晶反応及び移動挙動の重要性を示すとともに、それらの挙動に着目した1500Cを超える高温条件下での可視化基礎実験について発表する。まず、予想される挙動を考慮して厳密摂動計算ツールを用いて反応度推移を計算し、BC-SS共晶生成物移動挙動が大きな不確かさを持っており反応度推移のうえで重要であることを示した。この挙動を明らかにするため、高温加熱炉の中に溶融SSをBCペレットに接触させ、その反応を可視化する基礎実験を実施した。その実験により、共晶反応を可視化するとともに、固化した試験体の上部で密度分離によりBC-SS共晶生成物が固化・移動した様子が示された。

Diagnostics of pulsed plasma in laser ablation of boron compounds

大場 弘則; 佐伯 盛久; 横山 淳

Proceedings of Plasma Science Symposium 2005/22nd Symposium on Plasma Processing (PSS-2005/SPP-22), p.331 - 332, 2005/01

XeClエキシマレーザーを用いてホウ素化合物である、BCあるいはBNからのアブレーションを行った。生成したプルームプラズマ中の粒子フラックスをイオンプローブ及び四重極型質量分析計を用いて測定した。プルーム中のイオンの割合は、レーザー強度の増加に応じておおよそ20%程度までになることがわかった。また、中心軸に沿ったプルームプラズマ中の中性のホウ素原子は天然存在比であったのに対して、イオンではBの濃縮が観測された。

New composite composed of boron carbide and carbon fiber with high thermal conductivity for first wall

神保 龍太郎*; 西堂 雅博; 中村 和幸; 秋場 真人; 鈴木 哲; 後藤 純孝*; 鈴木 康隆*; 千葉 秋雄*; 山木 孝博*; 中川 師夫*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 233-237(PT.A), p.781 - 786, 1996/00

https://doi.org/10.1016/S0022-3115(96)00306-6

新複合材料は、高熱伝導炭素繊維で作った平織りクロスを積層し、その間に多量のBCを均一に充填して焼成した。BCを20~35vol.%添加し、1700Cで焼結した材料は、250W/m・K前後の室温熱伝導率を示す。開発材の熱伝導率は、温度依存性が小さく、400C以上になると、室温で300W/m・K以上の高熱伝導フェルトC/C材の値より高くなり、高温材料として望ましい特性を示す。800Kにおける重水素イオンによるスパッタリング試験では、BCが35vol.%以上の材料は、エロージョン率がC/C材の40%に低下し、BC添加の効果が明らかである。電子ビームによる熱負荷試験では、22MW/mを5秒間照射し、表面温度が2500Cになっても割れの発生は起らなかった。リサイクリング特性は、黒鉛に比して、BCの添加量と共に向上する。以上により、本複合材料は、C/C材とBCの長所を併せ持つ複合材料であることがわかる。

Thermodynamic analysis of behavior of HTGR fuel and fission products under accidental air or water ingress conditions

湊 和生; 福田 幸朔

IAEA-TECDOC-784, 0, p.86 - 91, 1995/01

高温ガス炉の炉心を構成する黒鉛、SiC被覆層、ZrC被覆層、およびBC制御材の空気または水との反応性について、熱力学的解析を行った。SiC、ZrC、及びBCは、反応条件により、それぞれ、重量減少をともなう酸化反応及び重量増加をともなう酸化反応の2種類があり、事故条件においては、後者の反応がほぼ支配的であることが明らかになった。また、核分裂生成物の主要元素であるCsの挙動について、Bとの反応を考慮に入れて熱力学的解析を実施した。その結果、事故条件において、CsがBと出会う機会があれば、CsはBと反応することが明らかになった。このことは、Csの環境への放出を考える際に重要な知見となる。

耐熱合金と炭化ホウ素との両立性,2

馬場 信一; 長松谷 孝昭; 村岡 進; 青山 功; 伊藤 尚徳

JAERI-M 82-196, 29 Pages, 1982/12

JAERI-M-82-196.pdf:2.41MB

多目的高温ガス実験炉の制御棒は、被覆管材にハステロイ-XR、中性子吸収体には30wt%ホウ素組成の炭化ホウ素と黒鉛の混合粉末焼結体を使用する予定である。本報はこれらの材料の高温下両立性試験の第二報で、(1)第一報と同一条件で、ハステロイ-X及びこれを改良したハステロイ-XRと混合粉末焼結体との両立性の比較、(2)長時間加熱試験及び(3)反応障壁効果確性試験について報告する。得られた結果を要約すると次のとおりである。(1)ハステロイ-XRはハステロイ-Xと同様な挙動を示し、有意な差は観察されなかった。(2)750C-3000時間の条件でハステロイ-X表面からの浸食深さは74mで、850C-2000時間では156mであった。(3)ハステロイ-Xの表面に反応障壁としてアルミナまたはジルコニアの粉末をプラズマ溶射した試料と混合粉末焼結体との両立性は、1000C-20時間5サイクルおよび1000C-100時間の試験条件でいずれも合金自身の反応は全く観察されなかったが、被覆層の剥離あるいはクラックなどの損傷が見られたものもある。

ナトリウム冷却高速炉条件における炭化ホウ素とステンレス鋼の共晶反応可視化基礎実験

山野 秀将; 鈴木 徹; 神山 健司; 工藤 勇*

no journal, , 

本報は、我が国で設計されている第4世代ナトリウム冷却高速炉(750MWe級)における炉心損傷事故での溶融炉心の炭化ホウ素(BC)とステンレス鋼(SS)の共晶反応及び移動挙動の重要性を示すとともに、それらの挙動に着目した1500Cを超える高温条件下での可視化基礎実験について発表する。まず、予想される挙動を考慮して厳密摂動計算ツールを用いて反応度推移を計算し、BC-SS共晶生成物移動挙動が大きな不確かさを持っており反応度推移のうえで重要であることを示した。この挙動を明らかにするため、高温加熱炉の中に溶融SSをBCペレットに接触させ、その反応を可視化する基礎実験を実施した。その実験により、共晶反応を可視化するとともに、固化した試験体の上部で密度分離によりBC-SS共晶生成物が固化・移動した様子が示された。

Thermophysical properties of stainless steel containing 10mass%-BC in the solid state

高井 俊秀; 古川 智弘; 山野 秀将

no journal, , 

This study describes estimation results of thermophysical properties of stainless steel containing 10mass% boron carbide (10mass%BC-SS) in the solid state. 10mass%BC-SS eutectic sample was synthesized using induction heat with suction method. Homogeneity of the sample was evaluated by chemical composition analysis, metal structure observation, and micro X-ray diffraction (XRD). Specific gravity and specific heat were evaluated up to 1000C. These measurements proved that the specific gravity in our sample was decreased and the temperature dependence of the specific gravity, along with the elevation of temperature, became gradual compared to that of grade type 316L stainless steel (SUS316L) used as a reactor material by addition of BC. The specific heat became slightly bigger than that of SUS316L by addition of BC and showed similar temperature dependence up to 800C.