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論文

Fuel behavior analysis for accident tolerant fuel with sic cladding using adapted FEMAXI-7 code

白数 訓子; 齋藤 裕明; 山下 真一郎; 永瀬 文久

Proceedings of 2017 Water Reactor Fuel Performance Meeting (WRFPM 2017) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2017/09

シリコンカーバイド(SiC)は、その耐熱性、化学的安定性、照射安定性の高さより、事故耐性燃料の有力な候補物質となっている。SiCをジルカロイの替わりに被覆管材料として用いた場合の燃料挙動評価を行うために、軽水炉燃料ふるまい解析コードFEMAXI-7に、物性値や機能の追加などの改良を行った。整備したコードを用い、SiC被覆燃料のふるまい解析を、BWRステップ3(9$$times$$9燃料(B型))を例にして行った。SiC被覆管は、照射により大きくスエリングし、熱伝導率が低下する。このことにより、被覆管-燃料ペレット間のギャップが広がり、燃料ペレット温度の上昇がみられた。また、ジルカロイ被覆管とは応力緩和のメカニズムが異なり、計算の高度化のためには、破断応力等のデータ取得、モデルの改良が必要であることが明らかになった。

論文

Establishment of technical basis to implement accident tolerant fuels and components to existing LWRs

山下 真一郎; 永瀬 文久; 倉田 正輝; 加治 芳行

Proceedings of Annual Topical Meeting on LWR Fuels with Enhanced Safety and Performance (TopFuel 2016) (USB Flash Drive), p.21 - 30, 2016/09

我が国では、軽水炉の事故耐性を向上させるために、新しい材料及び概念で設計された燃料棒、チャンネルボックス、制御棒を開発してきている。事故耐性燃料や燃料以外の要素部材を効率的かつ適切に導入するためには、基盤となる実用的データを蓄積するだけでなく、技術成熟度を考慮するとともに、知見が不足している部分を認識し、設計・製造のための戦略を構築する必要がある。日本原子力研究開発機構(JAEA)は、経済産業省(METI)の平成27年度委託事業において、前述の技術基盤を整備し、事故耐性燃料やそれ以外の要素部材の既存軽水炉への導入に向けた研究計画案を策定した。技術基盤の整備には、軽水炉におけるジルコニウム合金の商用利用の経験を活かすことが有効である。そのため、JAEAは、本METI事業を、これまでの事故耐性燃料開発に携わってきた国内プラントメーカー,燃料製造メーカー,研究機関,大学等と協力して実施した。本論文では、事故耐性燃料やそれ以外の要素部材の技術基盤整備のために実施した本プロジェクトに関して、主だった結果を報告する。

口頭

Thermodynamic evaluation on chemical reaction between UO$$_{2}$$ and SiC in LWR conditions

白数 訓子; 倉田 正輝

no journal, , 

福島第一原子力発電所の過酷事故をうけ、事故耐性の高い燃料の開発が進められている。SiCは、その化学的安定性や照射耐性から、有力な事故耐性被覆管の候補材となっている。水蒸気との反応性も、ジルカロイより低く、発生する熱や水素量の大きな減少も期待できる。軽水炉の通常運転時や過酷事故時における、燃料とSiCの間で生じる化学反応や懸念される事象を、熱力学平衡計算により評価した。SiCは、酸化によりSiO$$_{2}$$になるが、水蒸気の存在下では、SiOガスの生成割合が増加することがわかった。

口頭

事故耐性燃料(ATF)の軽水炉導入に向けた課題

山下 真一郎

no journal, , 

経済産業省資源エネルギー庁委託事業において進めてきている、事故耐性に優れた新型燃料部材を既存軽水炉に導入するための技術基盤整備の状況について説明する。また、海外での研究動向等の参考情報を交えながら、現状における研究開発上の課題を紹介するとともに将来展望について語る。

口頭

Progress of R&D and remaining subjects on materials degradation in severe accidents

永瀬 文久

no journal, , 

原子力機構は、自らのプロジェクトだけでなく国内外の協力を通して、福島第一原子力発電所における廃炉の支援や軽水炉安全性の向上に貢献する研究開発を行っている。これらの研究開発はBWRに特有な現象に焦点を絞り、シビアアクシデント時の材料崩落に関する様々な課題に対応している。また、事故耐性燃料(ATF)部材を既存の軽水炉に導入するための技術基盤の整備に係わる研究も行っている。計算コードを用いたこれまでの解析により、ATF燃料部材設計に必要な材料データや課題を明らかにした。

口頭

改良ステンレス鋼燃料被覆管のBWR装荷に向けた研究開発,2-6; トリチウム透過特性・水蒸気酸化特性

高橋 克仁*; 坂本 寛*; 大塚 哲平*; 鵜飼 重治*; 平井 睦*; 山下 真一郎

no journal, , 

事故耐性を有する改良ステンレス鋼燃料被覆管の研究開発の一環として、開発を行っているFeCrAl系ODSフェライト鋼(以下,改良FeCrAl-ODS鋼と称する)のトリチウム透過特性に与える表面酸化膜の効果および被覆管製造を模擬して加工熱処理を施した板材の高温水蒸気酸化特性について評価した。

口頭

BWR炉心安全性向上のためのSiC材料適用に向けた研究開発,2; SiC被覆管を用いたプラント過渡解析評価

武内 豊*; 垣内 一雄*; 佐藤 寿樹*; 白数 訓子; 齋藤 裕明; 山下 真一郎

no journal, , 

SiCを被覆管に適用した場合の過渡並びにLOCA時の燃料棒挙動を、現行のZry被覆管燃料挙動と比較し、事故耐性燃料(ATF)開発にあたっての設計基準(DBA)事象の観点からの開発課題を整理・検討する。

口頭

事故耐性燃料としてのSiC複合材被覆管の既設PWRへの適用性に関する評価,1; 炉心核特性への影響評価

山路 和也*; 桐村 一生*; 小坂 進矢*; 山下 真一郎

no journal, , 

事故耐性燃料の被覆管材としてSiC複合材を使用した場合の炉心核特性への影響を評価した。

口頭

事故耐性燃料としてのSiC複合材被覆管の既設PWRへの適用性に関する評価,2; 運転時の燃料ふるまい評価

古本 健一郎*; 手島 英行*; 渡部 清一*; 山本 晃久*; 白数 訓子; 齋藤 裕明; 山下 真一郎

no journal, , 

高温における水との反応熱および水素発生が少ないSiC複合材は事故耐性燃料被覆管として有力な材料の一つである。しかし、従来の被覆管材料であるZr合金と較べて基本的な材料物性が異なるだけでなく、SiC複合材に特有の照射挙動が存在する。そのため、SiC複合材被覆管燃料棒の運転時の炉内ふるまいは、それらを考慮して解析評価する必要がある。

口頭

事故耐性燃料としてのSiC複合材被覆管の既設PWRへの適用性に関する評価,3; 設計基準事故評価における安全性に関する評価

渡部 清一*; 手島 英行*; 古本 健一郎*; 片山 正晶*; 山下 真一郎

no journal, , 

SiC複合材は高温での安定性に優れ、反応熱や水素発生がほとんどないことから、シビアアクシデントを抑制しうる事故耐性燃料被覆管として有力な材料の一つである。しかし、DBA発生時におけるSiC複合材の挙動に関する知見は少ない。そこで本研究では、DBA発生時の挙動を評価するための試験装置を開発し、SiC複合材被覆管(SiC被覆管)を用いてモックアップ試験を実施した。

口頭

事故耐性燃料としてのSiC複合材被覆管の既設PWRへの適用性に関する評価,4; シビアアクシデント耐性評価

山越 義規*; 桐村 一生*; 小坂 進矢*; 山下 真一郎

no journal, , 

事故耐性燃料の被覆管としてSiCを使用した場合のシビアアクシデント時の耐性について評価した。

口頭

事故耐性型ODS鋼燃料被覆管の接合技術開発,2

湯澤 翔*; 薮内 聖皓*; 木村 晃彦*; 坂本 寛*; 平井 睦*; 山下 真一郎

no journal, , 

高温水や蒸気中における耐食性および酸化特性を向上させた燃料被覆管は、事故時の被覆管と冷却水の反応速度を低下させ、水素発生を抑制するため、事故耐性燃料しての使用が期待されており、候補材として高Cr-高Al-ODS鋼が提案されている。一方、このFeCrAl-ODS鋼の溶接技術については十分な知見が少なく、これまでの研究からAlを添加することで溶接性が顕著に劣化することが知られており、溶接方法の検討が必要である。そこで本研究では、FeCrAl-ODS鋼管と端栓とをEB溶接あるいはTIG溶接し、その接合強度および接合部の損傷評価を行った。

口頭

BWR炉心安全性向上のためのSiC材料適用に向けた研究開発,3; SiC被覆管燃料炉心のRIA解析評価

堀江 英樹*; 武内 豊*; 垣内 一雄*; 佐藤 寿樹*; 白数 訓子; 齋藤 裕明; 山下 真一郎; 深堀 智生

no journal, , 

SiCを被覆管に適用した燃料挙動を現行のZry被覆管燃料と比較し、事故耐性燃料開発における課題を整理・検討した。前報(1)において、プラント過渡安全解析コードTRACTTMを用いた過渡挙動評価の結果を、燃料棒ふるまい解析コードFEMAXIの被覆管表面における熱水力境界条件として与えることで、プラントの熱水力挙動と燃料棒の機械挙動を連携して解析評価する手法を開発し、LOCA等での解析結果を報告した。本報では、反応度投入事故(RIA)を対象に評価した。

口頭

事故耐性を高めた燃料部材の軽水炉導入に向けた"課題"と"取り組み"

山下 真一郎

no journal, , 

本講演では、既存軽水炉の安全性を飛躍的に向上させることが期待されている新型の燃料部材について、燃料部材としてどのような時(過渡時及び事故時)にどんな特性を有することが期待されているのか?軽水炉で使われてきているジルコニウム合金と比べて、何が有利で何が不利か?新型燃料部材の具体的な課題は何であるか?などの素朴な疑問にお答えする。また、現在国の支援のもとで、日本原子力研究開発機構が中心となり、国内の燃料メーカー, プラントメーカー, 大学、及び研究機関とともに進めてきている、新型燃料部材の既存軽水炉への導入に向けた実用化プロジェクト(取り組み)について、研究開発の概略内容(現在までの状況)を紹介する。

口頭

事故耐性燃料開発に向けたSiCの耐食被覆技術の検討

石橋 良*; 池側 智彦*; 田邊 重忠*; 山下 真一郎; 深堀 智生

no journal, , 

福島第一原子力発電所での過酷事故をきっかけに、事故耐性燃料が注目され、各国で検討されている。SiCは、耐熱性が優れ、熱中性子吸収断面積が小さいことから、事故耐性燃料用材料として期待が大きい。しかしながら、SiC材料を燃料被覆管として実際に適用していくには多くの課題が存在し、その一つが炉環境での耐食性である。SiC自体は化学的に安定な物質であるが、SiCが酸化して形成されたSiO$$_{2}$$が水中に溶解すると、炉水中のSiO$$_{2}$$に対する濃度制限を越える可能性があり、これを抑制する必要がある。本報告では、高温水環境でSiC材料から水中へのSiO$$_{2}$$溶出を抑制することを目的に、SiC材料表面およびSiC材料接合部を対象とした耐食被覆を検討した取り組みを紹介する。

口頭

新型被覆管材料12%Cr, 6%Al酸化物分散強化鋼の腐食挙動に及ぼす硝酸濃度の影響

安倍 弘; 高畠 容子; 佐野 雄一; 竹内 正行; 小泉 健治; 山下 真一郎; 坂本 寛*

no journal, , 

冷却材喪失時の過酷条件においても損傷しにくい新型燃料を開発することは、既存軽水炉の事故発生リスクを低減し、安全性を向上させる観点から非常に重要である。従来材料であるジルコニウム合金に替わる候補の一つに、12%Cr, 6%Al酸化物分散強化鋼(以降、FeCrAl-ODS鋼と表記)の開発が進められている。本研究においては、FeCrAl-ODS鋼の実用化に係る技術開発の一環として、核燃料再処理プロセスへの適合性を評価するため、FeCrAl-ODS鋼の腐食挙動に及ぼす硝酸濃度の影響について基礎的な評価を実施した。

口頭

R&D activities for Accident Tolerant Fuel Materials (ATFs) in Japan

山下 真一郎; 根本 義之; 井岡 郁夫; 川西 智弘; 倉田 正輝; 加治 芳行; 深堀 智生

no journal, , 

2011年の東日本大震災と津波、そして福島第一原子力発電所(1F)で起こった出来事の後、世界の興味はそのような極めて稀な出来事の間でも十分に性能が高められた燃料の探索に向けられ、それから多くの国で事故耐性燃料(ATF)開発プログラムが開始された。日本においては、1F事故以降、実用化研究, 製造技術開発、そして技術基盤整備のための幾つかのATFプログラムが始まった。日本において検討されているATF候補材料は、炭化ケイ素(SiC)複合材とFeCrAl鋼を微細な酸化物粒子の分散で強化したFeCrAl-ODS鋼である。SiC複合材は、汎用のジルコニウム合金に比べて、水素発生量が少なくまた反応熱も低いため非常に魅力的な材料である。それ故に、加圧水型軽水炉の燃料被覆管や沸騰水型軽水炉の燃料被覆管やチャンネルボックスとしての使用が期待されている。一方、FeCrAl-ODS鋼は将来有望な材料であり、沸騰水型軽水炉の燃料被覆管としての応用が考えられている。

口頭

Fuel behavior analysis code FEMAXI-ATF development for SiC cladding analysis for LWRs

山下 真一郎; 白数 訓子; 齋藤 裕明

no journal, , 

炭化ケイ素(SiC)被覆管の燃料挙動を解析するために、軽水炉用の燃料ふるまい解析コードであるFEMAXI-7の拡張版としてFEMAXI-ATFコードの開発を進めている。FEMAXI-ATFコードを用いた解析により、SiC被覆管は照射によって大きなスエリングを示し、それに伴って被覆管の熱伝導度やギャップコンダクタンスの低下が生じ、結果として燃料温度の上昇を招くことが示された。本研究では更に、SiC被覆管の機械的な健全性や燃料-被覆管の機械的相互作用(PCMI)の影響についても評価している。

口頭

改良ステンレス鋼燃料被覆管のBWR装荷に向けた研究開発,4-5; 再処理工程への適用性評価

高畠 容子; 安倍 弘; 佐野 雄一; 竹内 正行; 渡部 雅之; 坂本 寛*; 山下 真一郎

no journal, , 

燃料溶解工程を対象としたFeCrAl-ODS鋼の硝酸腐食評価として、$$gamma$$線照射下にて浸漬試験と電気化学試験を行った。FeCrAl-ODS鋼の腐食速度は平均0.78 mm/yとSUS304ULC等従来のステンレス鋼と同程度であり、FeCrAl-ODS鋼被覆管の腐食は再処理工程に影響を与えないと考えられた。

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