Coarse break-up of a stream of oxide and steel melt in a water pool (Contract research)

森山 清史; 丸山 結; 宇佐美 力*; 中村 秀夫

JAERI-Research 2005-017, 173 Pages, 2005/08

JAERI-Research-2005-017.pdf:11.17MB

水プール中における融体ジェットの分裂は、軽水炉シビアアクシデント時における水蒸気爆発の粗混合過程及びデブリ冷却性に関連する重要な現象である。高温の酸化物及び鋼材の融体ジェットの水プール中における分裂挙動に関する実験を行った。目的は、ジェット分裂長さ及び分裂によって生じる融体液滴のサイズ分布,これらに対する融体物性の影響に関するデータを得ることである。また、融体ジェット分裂機構の検討に有用な、融体ジェットを取り巻く蒸気カラムの流れの強さや、これと融体液滴サイズの関係に関するデータの取得を試みた。実験では酸化ジルコニウム・酸化アルミニウム混合物とステンレス鋼の融体ジェット(水面で直径17mm,速度7.8m/s)を深さ2.1m又は0.6mで種々のサブクール度を持つ水プールに落下させた。 本実験の結果及び既存の実験データを用いた検討により、融体ジェット分裂長さ,融体ジェットが完全に分裂しない浅いプールの場合の分裂割合、及び、ジェット分裂によって生じる融体液滴サイズに関する相関式を得た。

ジルコニア系セラミックスの超塑性変形に起因する力学的性質の変化

菊池 誠*; 本橋 嘉信*; 伊藤 勉*; 佐久間 隆昭*; 柴田 大受; 馬場 信一; 石原 正博; 沢 和弘; 北条 智博*; 辻 延昌*

日本機械学会関東支部茨城講演会(2004)講演論文集(No.040-3), p.57 - 58, 2004/09

将来の高温ガス炉への応用が期待されている超塑性3Y-TZP(3mol%イットリア含有正方晶ジルコニア多結晶体)について、その超塑性変形特性を調べ、SEM観察により微細構造の変化による影響を検討した。その結果、高ひずみ速度での超塑性変形では、加工軟化が生じ、その原因として超塑性変形時に生成するフラットキャビティが実断面積を低下させるためであることを明らかにした。また、フラットキャビティは超塑性変形中に荷重を除くことで消滅させることができ、その場合2倍以上の伸びを達成できることがわかった。

Irradiation behavior of rock-like oxide fuels

山下 利之; 蔵本 賢一; 白数 訓子; 中野 佳洋; 秋江 拓志; 長島 久雄; 木村 康彦; 大道 敏彦*

Journal of Nuclear Materials, 320(1-2), p.126 - 132, 2003/07

https://doi.org/10.1016/S0022-3115(03)00178-8

岩石型燃料の照射安定性を調べるために、2回の照射試験を実施した。最初の試験ではディスク型燃料を、2回目はペレット型燃料を用いた。スエリング,ガス放出率及び相変化を、パンクチャー試験,被覆管外径測定並びに金相試験により調べた。イットリア安定化ジルコニア(YSZ)単相型燃料は、低いガス放出率(3%以下)、無視しうるスエリング及び組織変化など、優れた照射挙動を示した。粒子分散型燃料は、粉末混合型燃料と比べ、スエリングは小さいが高いガス放出率を示した。本照射試験において、スピネルの分解と引き続く組織変化が初めて観察され、これは1700K以上で発生すると考えられる。スピネルマトリクス燃料のガス放出率は、燃料最高温度を1700K以下にすることで、コランダム型燃料と同等までに低減できると考えられる。スピネルマトリクスの照射損傷領域は、YSZ球表面に限定されていることがわかった。

Superplastic deformation characteristics of 3Y-TZP after Zr ion irradiation

柴田 大受; 石原 正博; 本橋 嘉信*; 馬場 信一; 星屋 泰二; 小林 友和*; Harjo, S.*; 佐久間 隆昭*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 206, p.139 - 143, 2003/05

https://doi.org/10.1016/S0168-583X(03)00701-8

3Y-TZP(3mol%イットリア含有正方晶ジルコニア多結晶体)セラミックスの超塑性変形特性に及ぼすZrイオン照射の影響について調べた。まず、3Y-TZP試験片に、日本原子力研究所東海研究所のTANDEM加速器を用いて+11価,130MeVのZrイオンを3.510及び2.110ions/mまで照射した。TRIMコードによる解析では、最大の照射損傷は試料表面から約10mの位置に現れた。次に照射後の試験片の機械的特性及び超塑性特性を高温での曲げ試験により調べた。その結果、超塑性変形の活性化エネルギーが照射量の増加に伴い増加することがわかった。この増加の原因としては、照射により注入した余剰なZrイオンが、3T-TZPセラミックスを構成している陽イオンの拡散を抑制し、その結果、拡散に支配される粒界すべりのための緩和機構を妨げたことが考えられる。

Rock-like oxide fuels and their burning in LWRs

山下 利之; 蔵本 賢一; 秋江 拓志; 中野 佳洋; 白数 訓子; 中村 武彦; 草ヶ谷 和幸*; 大道 敏彦*

Journal of Nuclear Science and Technology, 39(8), p.865 - 871, 2002/08

https://doi.org/10.3327/jnst.39.865

余剰プルトニウムの効率的な利用と廃棄のための新しいオプションを提案するため、岩石型プルトニウム燃料とその軽水炉中での燃焼技術に関する研究を行った。岩石型燃料はイナートマトリクス燃料の一種で、安定化ジルコニア,スピネルやコランダムなどの鉱物類似化合物から構成される。重核分裂片による照射損傷を軽減するため、粒子分散型燃料を考案した。照射試験により、スエリング,ガス放出,微細組織変化に関する知見が得られた。岩石型プルトニウム燃料装荷炉心が有する本来的な短所は、ウランやトリウムなどの共鳴物質を添加することで改善され、改善炉心の過渡時における特性は通常の軽水炉炉心と同等となった。反応度事故条件下における岩石型燃料棒の破損しきい値は軽水炉燃料と同等であることが、パルス照射試験により確認された。

ジルコニア固体電解質を用いた酸素センサの起電力に及ぼす中性子照射効果

日浦 寛雄*; 山浦 高幸; 本橋 嘉信*; 小檜山 守*

日本原子力学会和文論文誌, 1(2), p.202 - 208, 2002/06

https://doi.org/10.3327/taesj2002.1.202

原子炉燃料中の酸素ポテンシャルの炉内測定を可能とする酸素センサの開発を行った。本センサは、CaOで安定化したジルコニア電解質の両側に標準極と測定極を接触させて酸素濃淡電池を構成し、発生する起電力から測定極となる燃料中の酸素ポテンシャルを推定する。本開発試験では、センサ標準極にNi/NiO, 測定極には燃料の代わりにFe/FeOを用いることとし、さらに長寿命化対策を考慮してセンサを設計・試作して、その起電力特性を炉外試験及びJMTRでの照射下その場試験において調べた。炉外試験では、700 1000間の温度変化に対する起電力の温度依存性は理論値とほぼ一致し、起電力経時変化は800一定の下で980hにわたり4%以内であった。照射下その場試験では、高速中性子(E1 MeV)照射量8.010 m(照射時間1650h)までの700 900間の温度変化に対する起電力の温度依存性は炉外試験時に得られた結果とよく一致し、800一定下での起電力経時変化は理論値の6%以内であった。以上のことから、中性子照射下における燃料中の酸素ポテンシャルの測定が本センサにより可能であることがわかった。

Effects of superplastic deformation on thermal and mechanical properties of 3Y-TZP ceramics (Review)

石原 正博; 柴田 大受; 馬場 信一; 星屋 泰二; Wan, C.*; 本橋 嘉信*

Proceedings of OECD/NEA 2nd Information Exchange Meeting on Basic Studies in the Field of High-temperature Engineering, p.113 - 124, 2001/00

高温工学に関する先端的基礎研究として大学との共同研究として進めている超塑性セラミックスに関するHTTRを用いた高温照射試験の現状について、超塑性ジルコニアセラミックスの炉外試験の結果を中心に、以下の2つについてまとめたものである。(1)超塑性変形の与える熱物性への影響,(2)超塑性変形の与える機械力学的物性への影響。熱物性への影響では、超塑性変形後の比熱の変化について得られた実測データから、約5%程度の変形では影響が表れないことを示した。また、機械力学的物性への影響では微小硬さ計を用いたダイナミック硬さ及びヤング率測定結果が、超塑性変形による結晶粒の成長や変形による相変化の影響を受けることを述べた。

Energy transfer and thermal conductivity through inert matrix and nuclear fuel analogous materials

C.Degueldre*; 高野 公秀; 大道 敏彦; 福田 幸朔; P.Heimgartner*; T.Graber*

JAERI-Research 97-087, 19 Pages, 1997/11

JAERI-Research-97-087.pdf:0.87MB

ジルコニアベースのイナートマトリクス及び模擬燃料材の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定し、モデル化した。測定対象は、イットリアとエルビアの一方もしくは両方を含む二元系および三元系、さらにトリアもしくはセリアを加えた四元系とした。添加物による格子定数への影響、酸素原子空孔の大きさと密度を考慮に入れて熱伝導率をモデル化した。モデル化において、格子定数の実測値と、モデルから得られた値を比較検討した。室温から950Kにおいて、ジルコニアとイットリア、エルビア及びセリアとの各固溶体の熱伝導率は、約2W・m-Kであった。これらの均質中のエネルギー輸送について、フォトン伝導とフォノン伝導に基づいて検討した。

Grain size dependence of thermal-shock resistance of yttria-doped tetragonal zirconia polycrystals

石塚 雅之*; 佐藤 次男*; 遠藤 忠*; 島田 昌彦*; 大野 英雄; 井川 直樹; 長崎 正雅

Journal of the American Ceramic Society, 73(8), p.2523 - 2525, 1990/00

https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb07625.x

YOを添加して作製した正方晶ジルコニア多結晶体(Y-TZP)は高強度・高靱性を有する材料であり、耐熱性構造材料としての利用に期待されている。耐熱性構造材料として利用する場合、高い熱衝撃抵抗を有することが望ましいが、Y-TZPにおけるその値は熱膨張係数、ヤング率、熱伝導度等の物理的性質から予想される値に比べ著しく小さく、その改善が望まれる。本論文は、こうしたY-TZPに関して、熱応力によって引き起こされた微小亀裂付近の相変態挙動をレーザーラマン分光光度計を用いて分析し、粒子径変化に対する熱衝撃破壊挙動の観点から解析を行なったものである。その結果として、Y-TZPの粒子径が大きくなるに従って、微小亀裂付近の応力誘起相変態量が増加し、従って、熱衝撃抵抗が向上することを見出した。

Defect structure and ionic conductivity in stabilized zirconia

中村 彰夫; J. B. Wagner Jr.*

Proceedings of the Zirconia '86 Tokyo II, p.171 - 192, 1989/00

安定化ジルコニアのイオン伝導度は、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)では3.125%、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)では6.25%近傍の酸素空孔濃度で、むしろ鋭い極大をとるという特異な性質を示す。この組成は、両系共に、置換陽イオン種(Y,Ca)の陽イオン副格子点上での12.5%の濃度に相当する。酸素空孔と陽イオン置換種間の第一近接及び第二近接位置での静電的相互作用を適切に考慮に入れる事により、上記の様なYSZおよびCSZ系のイオン伝導度の挙動を定量的に説明する理論モデルを提出した。