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報告書

放射線・化学・生物的作用の複合効果による燃料デブリ劣化機構の解明(委託研究); 令和元年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東京工業大学*

JAEA-Review 2020-046, 69 Pages, 2021/01

JAEA-Review-2020-046.pdf:4.81MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和元年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス福島第一原子力発電所の廃炉等をはじめとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。本研究は、研究課題のうち、平成31年度に採択された「放射線・化学・生物的作用の複合効果による燃料デブリ劣化機構の解明」の令和元年度の研究成果について取りまとめたものである。

論文

A Laboratory investigation of microbial degradation of simulant fuel debris by oxidizing microorganisms

Liu, J.; 土津田 雄馬; 北垣 徹; 香西 直文; 山路 恵子*; 大貫 敏彦

Proceedings of International Topical Workshop on Fukushima Decommissioning Research (FDR 2019) (Internet), 2 Pages, 2019/05

福島第一原子力発電所(FDNPP)の廃止措置を行う上で、燃料デブリの現状を把握することは非常に重要な課題の一つである。事故直後に行われた炉内への海水注入および現在まで続く地下水の流入により、FDNPP周辺環境中の微生物の炉内への侵入が予想される。また、今後予定されている燃料デブリの取り出し作業において、人や機材などの出入りに伴う大気の流入により、新たな微生物の侵入も考えられる。これらの微生物の代謝活動は、炉内構造材の腐食や燃料デブリの分解などの原因となる可能性があり、燃料デブリの現状を正しく把握する上で考慮する必要がある。そこで、本研究では模擬燃料デブリを液体培地中で細菌と混合培養することにより、微生物の代謝による燃料デブリへの影響を観察した。

論文

Validation and verification for the melting and eutectic models in JUPITER code

Chai, P.; 山下 晋; 永江 勇二; 倉田 正輝

Proceedings of 9th Conference on Severe Accident Research (ERMSAR 2019) (Internet), 14 Pages, 2019/03

RPV内部の溶融材料の挙動を正確に理解し、SAコードの精度を向上させるために、JUPITERと呼ばれる多相,多物理モデルを備えた新しい計算流体力学(CFD)コードが開発された。それは多相計算のアルゴリズムを最適化した。その上、化学反応もコード内で注意深くモデル化されているので、融解プロセスを正確に扱うことができる。一連の検証と検証の研究が行われており、これらは分析解や以前の実験とよく一致している。JUPITERコードのマルチフィジックスモデルの機能は、関連するシビアアクシデントシナリオにおける溶融材料の挙動を調査するためのもう1つの便利なツールである。

論文

Retention of uranium in cement systems; Effects of cement degradation and complexing ligands

Ochs, M.*; Vriens, B.*; 舘 幸男

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 5, p.208 - 212, 2018/11

福島第一原子力発電所の事故に関連したクリーンアップ活動によって、コンクリートなどのセメント系材料を含む様々な種類の放射性廃棄物が発生している。さらに、放射性核種の収着や取り込み能力を含む、その好ましく安定した化学特性のために、セメント系バリア材の利用が検討されている。福島で生じている廃棄物には、特に、有機物,ホウ素,塩分といった、収着遅延に擾乱影響をもたらす共存物質が含まれる。本研究では、異なる劣化条件と、有機物,ホウ素,塩分といった共存物質が存在する条件でのセメント系材料へのU(VI)及びU(IV)の収着遅延を、既存の文献情報をもとに、定量評価する手法を構築することを目的とする。段階的なアプローチを提案し、U(VI)及びU(IV)の収着遅延を例示的に評価した。

論文

Performance degradation of candidate accident-tolerant cladding under corrosive environment

永瀬 文久; 坂本 寛*; 山下 真一郎

Corrosion Reviews, 35(3), p.129 - 140, 2017/08

 被引用回数:7 パーセンタイル:42.96(Electrochemistry)

福島第一原子力発電所事故の教訓として、従来のジルコニウム合金に比べ事故耐性を高めた新型燃料被覆管の開発が進められている。本論文は、事故耐性燃料被覆管開発の進捗をレビューするとともに、軽水炉燃料を設計する上で考慮すべき様々な腐食環境における性能劣化に焦点を当て解決すべき課題をまとめた。

論文

水溶液とゼオライトとの混合物中での$$gamma$$線照射による2-chlorophenolの分解

熊谷 友多

放射線化学(インターネット), (99), p.53 - 56, 2015/04

分離核変換サイクルにおける発熱性核種の線源利用への展開を目指して、$$gamma$$線を用いた水処理法の吸着剤併用による高度化を目的として、水溶性有機物の放射線分解に対するゼオライトの添加効果を調べた。模擬物質として2-クロロフェノール(2-ClPh)の水溶液を用いて、$$gamma$$線照射による分解反応に対する各種ゼオライトの添加効果、溶液pHの影響、2-ClPh濃度の影響を調べた。その結果、モルデナイト型ゼオライト(NaMOR)の添加により2-ClPhがNaMORに吸着し、照射により吸着した2-ClPhが分解することを明らかにした。さらに、2-ClPhが分子状で溶存するpH条件が吸着に適しており分解効率が向上すること、2-ClPh濃度の増加とともに吸着量が増加し、分解が促進されることを明らかにした。

論文

Thermodynamic evaluation on chemical reaction between degraded nuclear fuel and B$$_{4}$$C control rod in severe accident of LWR

白数 訓子; 倉田 正輝; 小川 徹*

Proceedings of 2014 Water Reactor Fuel Performance Meeting/ Top Fuel / LWR Fuel Performance Meeting (WRFPM 2014) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2014/09

福島第一原子力発電所の過酷事故では、ジルカロイ被覆管や破損燃料が、B$$_{4}$$C制御棒と反応したことが考えられる。BやCは反応性が高く、FPや構造材と様々な化合物を形成することが考えられ、その蒸発挙動への影響や発熱など、B$$_{4}$$C制御材と破損燃料の間の化学反応で想定される様々な懸念に関する評価を熱力学平衡計算により試みた。酸素ポテンシャルは、Bのふるまいに大きく影響し、過酷事故が進展し酸素ポテンシャルが上昇すると、Bは多様な化合物を形成して蒸発する。また、BはSrやCsなど揮発系FP元素の蒸発挙動にも寄与する。Bの存在下では、酸化性雰囲気におけるSrの安定化合物がSr(OH)$$_{2}$$からSrBO$$_{2}$$に変化しSrの蒸発が促進される。

論文

Confinement degradation with beta for ELMy $$H$$-mode plasmas in JT-60U tokamak

浦野 創; 滝塚 知典; 竹永 秀信; 大山 直幸; 三浦 幸俊; 鎌田 裕

Nuclear Fusion, 46(8), p.781 - 787, 2006/08

 被引用回数:19 パーセンタイル:41.65(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uにおいて、トロイダルベータ値の増加に伴うエネルギー閉じ込めの劣化を無次元輸送解析によって明らかにした。エネルギー閉じ込め性能のベータ依存性は、JT-60UにおけるELMy $$H$$モード閉じ込めデータベースの解析、また$$rho_mathrm{T}^ast$$, $$nu^ast$$、及びその他の磁気形状パラメータを固定したベータ値のスキャン実験の結果の両方から調べた。いずれの場合も、エネルギー閉じ込め性能はベータ値の増加に伴って、$$B_mathrm{T}tau_mathrm{E}proptobeta_mathrm{T}^{-(0.6-0.7)}$$の関係を満たすように劣化することがわかった。この結果は、IPB98(y,2)閉じ込め比例則の予測よりも弱い依存性である。本研究の結果から、核融合エネルギー増倍率は、$$beta_mathrm{T}^{0.3-0.4}B_mathrm{T}$$に比例して増加することが予測される。

論文

A New model to simulate critical current degradation of a large CICC by taking into account strand bending

小泉 徳潔; 布谷 嘉彦; 奥野 清

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.831 - 834, 2006/06

 被引用回数:24 パーセンタイル:26.64(Engineering, Electrical & Electronic)

ITERモデル・コイル試験で、大型Nb$$_{3}$$Snケーブル・イン・コンジット(CIC)導体に、臨界電流値(Ic)とn値の劣化が観測された。また、この劣化は、電磁力が大きくなる程大きくなった。他方、Nb$$_{3}$$Al導体を使用したCIC導体では、劣化は観測されなかった。これらの結果を説明するために、素線の試験結果をもとにした新たに解析モデルを考案した。本モデルでは、個々の素線の横荷重によるIcとn値の劣化を測定し、静水圧モデルを仮定して導体断面内の横荷重を求め、これらの結果から、導体内の個々の素線のIcとn値を評価し、その結果として、導体のIcとn値を求める。解析の結果、Nb$$_{3}$$Sn導体では、電磁力が積分され、素線に加わる横荷重が最大となる低磁場側から常伝導転移が起こり、その結果として、Icとn値の大幅な劣化が起こることがわかった。他方、Nb$$_{3}$$Al導体では、常伝導転移は高磁場側から起こり、そこでは、横荷重は小さいため、素線の劣化が小さく、結果として、導体のIc, n値の劣化が無いことが模擬できた。以上より、新たに開発したモデルの妥当性が検証できた。

論文

Numerical simulation of the critical current and n-value in Nb$$_{3}$$Sn strand subjected to bending strain

広橋 雅元*; 村上 陽之*; 石山 敦士*; 植田 浩史*; 小泉 徳潔; 奥野 清

IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 16(2), p.1721 - 1724, 2006/06

 被引用回数:9 パーセンタイル:51.01(Engineering, Electrical & Electronic)

Nb$$_{3}$$Sn CIC導体のITERへの適用性を実証するために試験したモデル・コイルで、臨界電流値とn値の劣化が観測された。この原因として、導体内の素線の局所的で連続的な曲げが考えられている。そこで、臨界電流値、及びn値に対するこのような連続曲げの影響を、より一般的に評価するために、新たなモデルを構築し、解析コードを開発した。本モデルでは、フィラメントのツイスト効果や、隣接するフィラメントだけでなく他の離れたフィラメントとの電気的接触も考慮した。解析手法として、分布定数回路方程式を差分法により離散化し、ニュートン・ラプソン法で非線形方程式を解いて、フィラメント間の転流を計算した。解析結果は、これまでの実験結果を比較的よく模擬したが、より精度の高い解析のためには、フィラメント間の抵抗のモデル化を改良する必要があることがわかった。

論文

Degradation of Eu(III)-malic acid complexes by $$Pseudomonas fluorescens$$

南川 卓也; 鈴木 義規*; 尾崎 卓郎; 大貫 敏彦; Francis, A. J.*

Journal of Alloys and Compounds, 408-412, p.1329 - 1333, 2006/02

 被引用回数:2 パーセンタイル:76.6(Chemistry, Physical)

好気性細菌$$Pseudomonas florescens$$によるEu(III)存在下でのS-リンゴ酸の分解挙動を調べた。10mMのリンゴ酸に0, 0.05, 0.1, 0.2mMのEu(III)を加えてリンゴ酸の分解挙動を調べるとEu(III)の濃度が上がるにつれてリンゴ酸の分解が遅くなることがわかった。この結果より、リンゴ酸がEu(III)に配位することにより、Eu(III)の毒性が抑制されることがわかった。またリンゴ酸が分解されると、おもに2種類の有機酸が培養液中に放出される。このうちの一つはピルビン酸であり、リンゴ酸分解後もピルビン酸がEu(III)を可溶化していることがわかった。われわれの研究は環境中の有機酸だけでなくその分解性生物もEu(III)の環境移行に影響を与えることを示している。

論文

Radiation crosslinking of carboxymethyl starch

長澤 尚胤; 八木 敏明; 久米 民和; 吉井 文男

Carbohydrate Polymers, 58(2), p.109 - 113, 2004/11

 被引用回数:83 パーセンタイル:6.1(Chemistry, Applied)

カルボキシメチルデンプン(CMS)をペースト状態の高濃度水溶液で照射して橋かけし、生分解性ハイドロゲルを合成した。CMSの橋かけに必要な濃度,蒸留水や生理食塩水中のゲルの吸水性及び生分解性について検討した。最適な濃度は、20から50%で、1gの乾燥ゲルは、蒸留水中で約500gを、生理食塩水中で約26gを吸水した。また、CMSゲルの生分解性は調整堆肥内で2週間後、約40%と未照射と変わらず、標準セルロース粉末よりも分解しやすいことがわかった。デンプンはアミロースとアミロペクチンの二成分からなっており、橋かけに寄与する成分をカルボキシメチルアミロースとカルボキシメチルアミロペクチンを用いて検討した結果、アミロペクチン成分が橋かけに寄与していることがわかった。

論文

Damage evaluation techniques for FBR and LWR structural materials based on magnetic and corrosion properties along grain boundaries

星屋 泰二*; 高屋 茂*; 上野 文義; 根本 義之; 永江 勇二*; 三輪 幸夫; 阿部 康弘*; 近江 正男; 塚田 隆; 青砥 紀身*

Transactions of the Materials Research Society of Japan, 29(4), p.1687 - 1690, 2004/06

高速炉(FBR)及び軽水炉(LWR)の構造材料の劣化評価のため、結晶粒界に沿った磁気及び腐食特性に基づく新しい評価技術の開発に着手した。経年化したFBR構造材料に対し、磁気的方法を適用し、き裂発生以前の初期段階のクリープ損傷を非破壊検出することができる。そこで、クリープ損傷を受けた常磁性のステンレス鋼について、自然磁化に対する負荷応力の効果を調べた。一方、イオン照射したステンレス鋼の粒界近傍の腐食特性及び光磁気特性はそれぞれAFM及びKerr効果顕微鏡を用いて評価した。これらの劣化はCr欠乏等の粒界近傍の性質変化によって引き起こされた。この結果、原子炉構造材料の劣化進行過程の初期段階は、粒界に沿った磁気及び腐食特性によって検出できることがわかった。

論文

Analysis of end-of-life performance for proton-irradiated triple-junction space solar cell

住田 泰史*; 今泉 充*; 松田 純夫*; 大島 武; 大井 暁彦; 神谷 富裕

Proceedings of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion (WCPEC-3) (CD-ROM), 4 Pages, 2004/01

宇宙用太陽電池は宇宙放射線への暴露によって劣化するため、初期の変換効率だけでなく寿命末期での性能も重要である。今回は劣化予測法が確立していない3接合型宇宙用太陽電池について地上でのプロトン照射を行い、放射線照射試験に基づく従来の2種類の劣化予測法、すなわち相対損傷ドーズ法とはじき出し損傷ドーズ法の適用妥当性を検討した。3接合型太陽電池では、それぞれInGaP, GaAs, Geによる3つの接合層が直列に接続されている。相対損傷ドーズ法を適用した場合、プロトンの進入深さと電池の層構造を考慮に入れることで各層の電圧劣化から電池全体の開放電圧劣化挙動を説明できる一方で、短絡電流値と電力値については、予測値が大きな誤差を含むことが問題となった。分光感度の解析により各層の電流発生値を見積もった結果、劣化に伴って全体の電流を制限する接合層が初期のInGaP層からGaAs層に移る現象を明らかにし、単純なセル構造に対して開発された相対損傷ドーズ法は精密な電流値劣化予測には不向きであることを示した。はじき出し損傷ドーズ法による評価も、複雑な電流劣化挙動のため劣化予測値のばらつきが大きく、短絡電流値及び電力値の劣化には不適当であり、3接合型太陽電池に特化した劣化予測法の開発が必要であるとの結論を得た。

論文

高温ガス炉ガスタービン発電システム(GTHTR300)発電系設備の保守・点検の基本方針

小杉山 真一; 滝塚 貴和; 國富 一彦; Yan, X.; 片西 昌司; 高田 昌二

日本原子力学会和文論文誌, 2(3), p.319 - 331, 2003/09

GTHTR300の発電系設備に対する保守・点検の基本方針について検討し、提案を行った。検討に際しては、機器ごとに運転時の使用環境,構造,材料等を考慮し、機能の維持に支障を来す可能性のある劣化・損傷事象を予測した。特に留意すべき事象は、ガスタービンの動翼・静翼に対する高温クリープ及び熱疲労による割れ及び変形等であり、定期的な開放点検により健全性を確認することとした。なお、動翼・静翼には寿命評価による管理が必要であり、劣化傾向を把握し計画的に取り替えることとした。開放点検の周期は設計上の寿命も考慮すると、技術的には最長6年程度までなら妥当であるとの見通しを得た。そのほか、腐食・浸食が予測される前置冷却器及び発電機冷却ガス冷却器の伝熱管をはじめ、圧力バウンダリ機器には軽水炉の相当の検査を行うこととした。また、プラント運転時には巡視点検は行わず、モニタリングにより機器状態を確認することとした。

報告書

Proceedings of the 3rd International Symposium on Material Chemistry in Nuclear Environment (MATERIAL CHEMISTRY '02, MC '02); March 13-15, 2002, Tsukuba

MC'02企画委員会

JAERI-Conf 2003-001, 451 Pages, 2003/05

JAERI-Conf-2003-001.pdf:30.73MB

第3回材料化学国際シンポジウム(Third International Symposium on Material Chemistry in Nuclear Environment, MC'02)が、平成14年3月13日~15日の3日間、原子力基盤技術クロスオーバー研究の一環として、筑波研究交流センターで開催された。これまで、当該シンポジウムは原子力材料クロスオーバー研究グループが中心となって第1期(89~93),第2期(94~98)の各節目にそれぞれMC92,MC96として開催され、今回の第3期では計算科学及び陽電子ビームクロスオーバー研究グループと合同でMC'02として開催した。MC'02では、特に発電炉,再処理,核融合,加速器等の原子力技術の高度化に不可欠な複合環境用材料の課題と材料開発,計算科学,環境適応性評価技術等の最新技術開発動向に関して、国際的な専門家を集めて活発な討論が行われた。

論文

Radiation aging and degradation mechanism of polymer insulation for electric cables

杉山 政彦*; 仁田 眞*; 谷 恒夫*; 瀬口 忠男; 八木 敏明

Proc. of 46th Int. Wire and Cable Symp., p.1 - 5, 1997/00

ケーブル用高分子絶縁材料の放射線劣化とそのメカニズムについて、放射線により誘起される酸化と電気特性、さらにゲル分率、引張特性、EPMAによる酸化層の分析、微少高度測定、超音波顕微鏡による観察を行った。この実験結果により、放射線酸化により電気特性が変化すること、ゲル分率の変化が酸化層の割合によく対応していること、及び試料表面の酸化層がノッチ効果と呼ばれる引張試験時の破壊を誘起していることが確認された。

論文

Severe accident research activities in Japan

杉本 純

Heat and Mass Transfer in Severe Nuclear Reactor Accidents, 0, p.462 - 477, 1996/00

日本におけるシビアアクシデント研究はTMI-2事故を契機に開始され、チェルノブイル事故によりさらに加速された。シビアアクシデント研究では、安全余裕の確認、リスクの定量化、及びアクシデントマネージメントの有効性評価を目的としている。原研では、炉心損傷進展、FP挙動、格納容器挙動、及びアクシデントマネージメントに関する巾広い実験と解析を実施している。原子力機構では、シビアアクシデント時の影響緩和に関連した格納容器健全性とPSAに関する研究を実施している。さらに産業界においても、アクシデントマネージメントの有効性に関する実験及び解析を実施している。本報告では、これら日本のシビアアクシデント研究について、現象論的に不確実性の大きい課題を中心に現状を紹介している。

論文

High energy ion irradiation effects on polymer materials,3

工藤 久明; 貴家 恒男; 瀬口 忠男

JAERI-Review 95-019, 0, p.77 - 79, 1995/10

種々の高分子材料にH$$^{+}$$、He$$^{2+}$$などの軽イオンを照射したとき、力学特性、架橋・切断の挙動は吸収線量にのみ依存し、電子線や$$gamma$$線照射と同一であることが確かめられた。放射線の種類により、LETは大きく異なるが、照射効果が同一であることは、反応の起る空間分布はLETにさほど依存しないこと、すなわち、LETは大きくても空間的エネルギー付与の密度は大きくならないことと解釈できる。

論文

Investigation of centrifugal pump performance under two-phase flow conditions

G.R.Noghrehkar*; 川路 正裕*; A.M.C.Chan*; 中村 秀夫; 久木田 豊

J. Fluids Eng., 117, p.1 - 9, 1995/03

Furuya&Maekawaらの1次元2相流ポンプモデルを改良し、カナダのオンタリオハイドロ社で実施した実機ポンプ及び小型ポンプを用いた高温高圧の水/蒸気二相流試験結果につき、解析を行った。モデルの改良は、二相流時の解析安定性を向上する為、インペラ内での蒸発/凝縮率の予測項に含まれる仮想質量の気相密度を液相密度に換えることにより行った。LOCA時等に生じる二相流中でのポンプ水頭は、サクションボイド率がある値を越えると急速に劣化するが、実験では、実機ポンプは小型ポンプに比べ、高ボイド率で劣化が生じることが観察された。この、水頭劣化に対するポンプサイズの影響を、改良ポンプモデルを用いたパラメータ計算により調べ、大型のインペラ内では、気泡流からチャーン流への流動様式遷移がより大きなボイド率で生じると仮定することにより、劣化を生じるボイド率変化をよく予測できることがわかった。

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