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論文

Corrosion test of HTGR graphite with SiC coating

Chikhray, Y.*; Kulsartov, T.*; Shestakov, V.*; Kenzhina, I.*; Askerbekov, S.*; 角田 淳弥; 植田 祥平; 柴田 大受; 坂場 成昭; Abdullin, Kh.*; et al.

Proceedings of 8th International Topical Meeting on High Temperature Reactor Technology (HTR 2016) (CD-ROM), p.572 - 577, 2016/11

高温ガス炉(HTGR)に用いられる黒鉛について、耐腐食性を有するSiC被覆の適用は重要な課題である。本研究は、高密度のIG-110黒鉛にSiCを傾斜被覆した材料について、1673Kまでの温度で蒸気との化学反応の結果を示したものである。100Paの蒸気との反応に関する実験では、SiC酸化のパッシブ反応により表面にSiO$$_{2}$$膜が形成されることを確認した。また、1Paの蒸気とのアクティブ反応では、表面に様々なカーボン複合材が形成されることを確認した。

報告書

高温ガス炉の黒鉛酸化挙動評価に関するTHYTANコードの検証

島崎 洋祐; 井坂 和義; 野本 恭信; 関 朝和; 大橋 弘史

JAEA-Technology 2014-038, 51 Pages, 2014/12

JAEA-Technology-2014-038.pdf:3.84MB

日本原子力研究開発機構では、高温ガス炉の空気侵入事故時及び水侵入事故時における炉内黒鉛構造物の酸化挙動評価のために、高温ガス炉水素製造システムのトリチウム挙動評価用に開発された非定常物質収支解析コードTHYTANに解析モデルを追加し、炉内黒鉛構造物の酸化量分布を計算できるようにした。本報は、黒鉛酸化挙動評価に関するTHYTANコードの解析モデル及び検証解析の結果をまとめたものである。黒鉛酸化挙動評価のために、黒鉛構造物内及び冷却材流路内の物質収支として、物質伝達による流体から黒鉛表面境界層への物質移動、黒鉛内への拡散、黒鉛酸化反応、流路内での化学反応、安全弁による物質移動をモデル化した。検証解析として、黒鉛酸化挙動評価のために追加した解析モデルごとに解析解等を用いた手計算による計算値との比較検討を行うと共に、黒鉛酸化実験における実験結果及び高温工学試験研究炉の安全解析に使用されたGRACEコードによる実験解析結果との比較検討を行った。この結果、検証解析結果は、手計算による計算値、実験結果及びGRACEコードの解析結果とよく一致し、THYTANコードの計算機能及び解析モデルの妥当性が確認された。

論文

R&D plan for development of oxidation-resistant graphite and investigation of oxidation behavior of SiC coated fuel particle to enhance safety of HTGR

植田 祥平; 角田 淳弥; 柴田 大受; 相原 純; 藤田 一郎*; 大橋 純*; 永石 賢英*; 武藤 剛範*; 沢 和弘; 坂場 成昭

Nuclear Engineering and Design, 271, p.309 - 313, 2014/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:55.77(Nuclear Science & Technology)

空気/水蒸気侵入事故のように設計を超える条件においても、固有の安全性によって環境中への核分裂生成物の放出を抑制できる本質安全高温ガス炉が新たに提案されている。本質安全高温ガス炉においては、空気/水蒸気侵入事故においても黒鉛スリーブと燃料コンパクトと炭化ケイ素(SiC)被覆燃料粒子で構成する燃料棒の形状を維持し再臨界を防止することが重要であり、耐酸化特性を付与した黒鉛材料を適用できればこれが可能となる。本論では、照射試験並びに炉外試験を通じてのSiC傾斜層を有する耐酸化黒鉛の開発と共に、SiCの酸化によって形成され耐酸化性を有する二酸化ケイ素(SiO$$_{2}$$)皮膜の形成条件について立案した研究計画について述べる。

報告書

照射黒鉛中の炭素14の分離,1; Pechiney Q1及びIG-110黒鉛の空気酸化特性と細孔構造の変化(共同研究)

藤井 貴美夫

JAERI-Tech 2005-048, 108 Pages, 2005/09

JAERI-Tech-2005-048.pdf:25.05MB

天然ウランを燃料とする黒鉛減速炭酸ガス冷却型の日本原子力発電(株)東海発電所は、1998年3月31日に停止した。現在、同社において廃止措置に向けて検討が行われている。東海発電所や原研の高温工学試験研究炉の炉内には多くの黒鉛材料が使用されている。使用済み黒鉛を放射性廃棄物として考える場合、半減期が極めて長い炭素14($$^{14}$$C)が含まれるため廃棄処理・処分する際に問題となることが予想される。$$^{14}$$C濃度の問題を解決する一つの研究として、平成11年度から原研-原電共同研究で基礎データを取得した。$$^{14}$$C低減化方法の最適条件を選定するには、対象黒鉛材料の酸化反応と細孔構造に関する基礎データが必要である。ここでは、東海発電所に使用されているペシネQuality1黒鉛及びHTTRで使用されているIG-110黒鉛について、450$$^{circ}$$C$$sim$$800$$^{circ}$$Cの温度範囲における空気酸化特性及び反応の進行に伴う、表面積と細孔分布の変化を調べた。

論文

Study of the oxidation for Si nanostructures using synchrotron radiation photoemission spectroscopy

Nath, K. G.; 下山 巖; 関口 哲弘; 馬場 祐治

Applied Surface Science, 234(1-4), p.234 - 239, 2004/07

 被引用回数:6 パーセンタイル:35.11(Chemistry, Physical)

ナノクラスター,ナノ粒子など、ナノメートルスケールの大きさを持つ物質の構造と物性の解明はナノテクノロジーの分野では極めて重要な課題となっている。代表的な半導体物質であるシリコンの場合、ナノメートルスケールの幅を持つ線状物質であるシリコンナノワイヤーが注目を集めており、ナノテクノロジーへの応用も期待されている。本研究では、化学的に不活性なグラファイト表面にシリコンナノワイヤーを生成させ、その酸化反応を光電子分光法により調べた。その結果、幾つかのナノ構造を持つ薄膜は、バルクのシリコンに近い構造を持つ厚い膜に比べて酸化しにくいことを見いだした。とくに0.4オングストロームの厚みの極薄膜は、全く酸化が起こらないことが明らかとなった。これらの酸化反応の違いを、ナノクラスターの立体構造及びクラスターサイズとの関係において詳細に議論した。

論文

Mechanical property evaluation method for graphite materials by ultrasonic wave propagation in porous body

柴田 大受; 石原 正博

Proceedings of International Conference on Advanced Technology in Experimental Mechanics 2003 (ATEM '03) (CD-ROM), 5 Pages, 2003/09

酸化損傷は黒鉛材料の巨視的な特性を悪化させる一つの要因として考えられている。特に高温ガス炉への応用においては、黒鉛内部の酸化劣化状態を予測し、ヤング率等の機械的特性を把握することが重要である。そこで、内部酸化状態及びこれに起因するヤング率等の評価のための基礎的な検討を行い、超音波伝播特性を考慮した新たな評価モデルを提案した。提案モデルは結晶粒の方向依存や気孔形状等を確率論的に取り扱うものである。本モデルからは超音波の波高値,減衰特性等とともに音速が得られる。そこで、超音波の音速からヤング率を評価し、実測値との比較検討を行いモデルの妥当性について検討したところ、微粒等方性黒鉛及び粗粒異方性黒鉛についてヤング率の気孔率依存性が実測値と予測値でよく一致した。すなわち、本モデルが黒鉛材料に適用性できることが明らかとなった。

論文

Grain/pore microstructure-based evaluation method for variation of mechanical property of graphite components in the HTGR

柴田 大受; 石原 正博

Transactions of 16th International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT-16) (CD-ROM), 8 Pages, 2001/08

黒鉛は酸化により機械的特性が低下するため、高温ガス炉の炉内黒鉛構造物は供用期間中検査においてその健全性を確認する必要がある。酸化による機械的特性の低下は黒鉛内部の気孔状態に依存するので、気孔状態の変化から機械的特性を評価するため、多孔質セラミックス中の気孔と超音波との衝突過程に基づく超音波伝播モデルの酸化黒鉛への適用性について検討した。この超音波伝播モデルを用いて、酸化の進行に伴う黒鉛のヤング率の低下について調べ、酸化に伴う黒鉛内部の気孔状態の変化として気孔寸法、気孔率に加えて気孔形状の変化が解析上重要な因子の一つであることを示した。その結果、酸化による黒鉛の機械的特性の低下の評価にこの解析モデルを適用できる見通しを得た。

論文

黒鉛材料の酸化による強度劣化特性の非破壊的検出法

石原 正博; 柴田 大受

第4回構造物の安全性・信頼性に関する国内シンポジウム講演論文集, p.101 - 108, 2000/00

セラミックスの超音波伝播メカニズムとして、入射した超音波と均一に配列した気孔との相互干渉を考慮したものが高坪らにより提案され、微細構造と超音波物性との相関性について研究が進められている。一方、実用的な材料の場合には、黒鉛の酸化のように気孔サイズが一様でない場合が多く、この場合の超音波波形の解析が重要であることが多い。そこで、本報告では気孔サイズが異なる場合の超音波波形について解析的な検討を行い、超音波と非均一に配列した気孔との相互干渉効果を考慮した超音波伝播モデルを提案した。提案モデルの工学的な応用として、超音波伝播モデル及び破壊力学モデル組み合わせモデルを検討したところ、この組み合わせモデルにより超音波伝播波形から酸化後の黒鉛材料の強度予測が可能であることがわかった。

報告書

原子炉用黒鉛材料の酸化挙動とSiC傾斜組成化による耐酸化性及び耐熱衝撃性の改良研究

藤井 貴美夫

JAERI-Research 99-050, 99 Pages, 1999/08

JAERI-Research-99-050.pdf:5.37MB

多孔質材料である黒鉛・炭素材料の水蒸気あるいは空気による酸化腐食に起因する特性変化は腐食量が同じであっても、黒鉛・炭素材料内部への腐食の進行状況が、その銘柄によって異なるため単純に評価することはできない。特に低温域における腐食反応では、黒鉛材料に形状変化が生じていなくても腐食は材料内部まで均一に進行する。また、バインダー部分が選択的に腐食されるため粒子間がバラバラになり、結果として機械的・熱的特性を急速に失うことになる。本研究では、(1)原子炉用黒鉛材料の腐食特性と銘柄間に共通な腐食特性長さL$$_{B}$$を用いて腐食量と腐食侵入深さの関係を明確にした、(2)全腐食量と試験片の全表面積の関係を検討した、(3)黒鉛材料の腐食特性を利用したSiC傾斜組成材料の創製と、耐酸化性及び耐熱衝撃性について検討した結果を報告する。

論文

Evaluation of aseismic integrity in HTTR core-bottom structure, III; Structural integrity of core support post component

石原 正博; 伊与久 達夫; 二川 正敏

Nucl. Eng. Des., 148, p.91 - 100, 1994/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:43.3(Nuclear Science & Technology)

高温工学試験研究炉(HTTR)の炉床部に設置する黒鉛製サポートポストの座屈試験を実スケールおよび1/2スケールの要素試験片を用いて実施した。試験では、サポートポストの傾斜角、繰返し荷重および酸化量を変化させて座屈強度を調べた。その結果、1.サポートポストの傾斜角および繰返し荷重が座屈強度にほとんど影響しないこと、2.通常運転時には、サポートポストに約20倍の安全裕度があること、3.空気侵入事故時にサポートポストが酸化され、同時に最大の地震荷重を負荷した状態でも、サポートポストに4.5倍の安全裕度があること、等が明らかとなり、サポートポストの健全性を実証した。

論文

球面接触を有する円柱状黒鉛構造物の健全性評価

石原 正博; 伊与久 達夫; 二川 正敏

材料, 42(472), p.15 - 21, 1993/01

高温工学試験研究炉(HTTR)の炉心は、サポートポスト等の黒鉛構造物により支持されている。サポートポストは両端が球面形状となっている円柱状支持構造要素であり、その上・下に位置する球面座を有するシートと接触している。サポートポスト/シート構造に作用する主要な荷重は、炉心重量及び繰り返し作用する地震荷重である。また、地震時のサポートポストの上・下黒鉛構造物の水平方向相対変位は、サポートポストが傾斜することで吸収する。更に、黒鉛製のサポートポストは酸化事故時においても、構造健全性を確保する必要がある。このため、サポートポスト/シート構造の破壊荷重に対するサポートポストの傾斜角、体積効果、繰り返し荷重及び酸化の影響を、実スケール及び1/2スケールの要素試験に基づいて明らかにし、HTTRのサポートポスト/シート構造の構造健全性を確認した。

論文

Improvement of the oxidation resistance of a graphite material by compositionally gradient SiC/C layer

藤井 貴美夫; 中野 純一; 新藤 雅美

Journal of Nuclear Materials, 203, p.10 - 16, 1993/00

 被引用回数:12 パーセンタイル:75.41(Materials Science, Multidisciplinary)

黒鉛材料の耐酸化性の改良を目指し、SiC/C傾斜組成層の創製研究を実施している。SiC/C傾斜組成材料、すなわちSiC/C傾斜組成層を有する黒鉛材料はガス状のSiOと炭素の反応及び化学気相蒸着法によるSiC被覆の組み合わせによって作成される。SiC/C傾斜組成材料は高温の大気中においてSiC被覆黒鉛と同様優れた耐酸化性を示した。さらに、厳しい熱サイクルに対してもSiC/C傾斜組成材料はSiC被覆黒鉛に比較して非常に安定した特性を示した。

論文

Oxidation behavior of boronated graphite in helium containing water vapor

藤井 貴美夫; 野村 真三; 今井 久*; 新藤 雅美

Journal of Nuclear Materials, 187, p.32 - 38, 1992/00

 被引用回数:7 パーセンタイル:58.5(Materials Science, Multidisciplinary)

HTTRの中性子吸収材であるほう素炭化物含有黒鉛とヘリウム中の水蒸気との反応を1000$$^{circ}$$Cまでの温度範囲で、主としてB$$_{4}$$Cの酸化の観点から調べた。ほう素炭化物含有黒鉛の酸化反応は、B$$_{4}$$C+6H$$_{2}$$O=2B$$_{2}$$O$$_{3}$$+6H$$_{2}$$+C(free carbon)、C(free carbon)+H$$_{2}$$O=CO+H$$_{2}$$及びC(黒鉛)+H$$_{2}$$O=CO+H$$_{2}$$から成り、反応速度はB$$_{2}$$O$$_{3}$$の形成により、温度の上昇と共に単調には増加しないこと、黒鉛材料に比較して酸化速度が遅いことが明らかになった。

論文

Functionally gradient material of silicon carbide and carbon as advanced oxidation-resistant graphite

藤井 貴美夫; 今井 久*; 野村 真三; 新藤 雅美

Journal of Nuclear Materials, 187, p.204 - 208, 1992/00

 被引用回数:9 パーセンタイル:66.13(Materials Science, Multidisciplinary)

耐酸化性を改良した先端黒鉛材料として、SiC/C傾斜機能材料の創製を行っている。約1350$$^{circ}$$Cで黒鉛とガス状SiOとの反応によって創製されたSiC/C傾斜機能材料は黒鉛素地中にSiCの濃度勾配を持つ、すなわち黒鉛マトリックス中のSiC/C材は内部に向かって徐々に減少している。また創製された傾斜機能材料は、黒鉛材料に比較して優れた耐酸化性を示した。

論文

高温工学試験研究炉の安全評価; 空気侵入事故・水侵入事故時の黒鉛酸化量評価

中村 雅英*; 大橋 一孝*; 伊与久 達夫

FAPIG, 0(129), p.13 - 21, 1991/11

HTTRは炉心出口冷却材温度が定格時850$$^{circ}$$C、高温試験運転時950$$^{circ}$$Cと高いため、炉内には耐熱性に優れた多量の黒鉛材料を使用している。高温の黒鉛は空気あるいは水蒸気と反応するため、1次冷却系内へ空気あるいは水が侵入する事故が発生した場合、炉内の黒鉛構造物が酸化されて原子炉の安全性が損なわれないことを確認する必要がある。本報は、黒鉛酸化解析手法の概要とHTTRの空気侵入事故及び水侵入事故における黒鉛酸化量評価例を紹介する。

論文

High temperature Youngs modulus of a fine-grained nuclear graphite oxidized or prestressed to various levels

衛藤 基邦; 奥 達雄; 小西 隆志*

Carbon, 29(1), p.11 - 21, 1991/01

 被引用回数:20 パーセンタイル:70.26(Chemistry, Physical)

微粒等方性黒鉛IG-110の高温ヤング率に及ぼす酸化と予応力の影響を調べた。酸化は空気中500$$^{circ}$$Cで10%重量減まで行った。予応力は平均圧縮強度の60または80%とした。酸化、予応力ともに室温及び高温ヤング率を減少させるが、これは亀裂の開孔と成長によって説明できる。酸化黒鉛の高温ヤング率を無酸化材の室温ヤング率から算出する実験式を得た:E(T,d)/E(RT,do)=f(T)(d/do)$$^{n(T)}$$。ここで、E(T,d)とE(RT,do)は各々、かさ密度dをもつ酸化材の温度Tにおけるヤング率及び無酸化材(かさ密度do)のヤング率である。f(T)、n(T)は実験データから定まる温度Tの関数である。さらに本実験において、酸化材のヤング率が高温熱処理によって一部回復する現象が見出され、これは結晶子の異方性に基づく内部応力が酸化材で小さくなるためと考えられた。

論文

Graphite core structures and their structural design criteria in the HTTR

伊与久 達夫; 塩沢 周策; 石原 正博; 荒井 長利; 奥 達雄*

Nucl. Eng. Des., 132, p.23 - 30, 1991/00

 被引用回数:21 パーセンタイル:88.91(Nuclear Science & Technology)

高温工学試験研究炉(HTTR)の炉内構造物は、主に、耐熱性に優れた黒鉛材料により構成している。黒鉛材料は延性は僅かであり、金属材料に比べ応力-ひずみ特性等が異なり、既に確立している金属構造物の技術基準を直接黒鉛構造物に適用することは出来ない。そのため、原研において、HTTR用に黒鉛構造設計方針を策定した。本方針は、米国ASMEで提案している高温ガス炉用炉心支持黒鉛構造物の技術基準:SecIII,Div.2 Subsection CE(draft)を参考にし、多軸破壊、軸圧縮制限、酸化効果及び品質管理の項目を独自に定めている。本報は、HTTRの黒鉛構造物の説明と黒鉛構造物の設計方針について、特にASME CEコードとの相違を中心に述べたものである。

論文

Measurements of the density profile in oxidized graphite by X-ray computed tomography

井岡 郁夫; 依田 真一

Journal of Nuclear Materials, 151, p.202 - 208, 1988/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:31.99(Materials Science, Multidisciplinary)

高温ガス試験炉に使用される黒鉛材料は、冷却材ヘリウム中に含まれる微量の不純物により酸化される。酸化により黒鉛材料の機械的性質が劣化することは、既に知られている。また、酸化モード(均一、不均一酸化)によっても、その劣化の程度は異なる。とくに、不均一酸化された黒鉛内の密度分布を非破壊的に把握することは、強度劣化を知るために重要である。そこで、最近開発されたX線CTスキャナを用いて酸化黒鉛内部の密度分布を調べた。また、同試片を外表面から切削して測定した密度分布と比較し、良い一致を得た。さらに、各種人工欠陥を導入した原子炉級黒鉛の欠陥検出も行った。

論文

高温ガス炉用微粒等方性黒鉛の疲労強度に及ぼす空気酸化の影響

石山 新太郎; 衛藤 基邦; 奥 達雄

日本原子力学会誌, 29(7), p.651 - 655, 1987/07

 被引用回数:7 パーセンタイル:60.77(Nuclear Science & Technology)

高温ガス炉用微粒等方性黒鉛IG-110の引張り-引張り型疲労強度に及ぼす空気酸化の影響を室温で調べた。負荷荷重繰り返し速度を0.5~10Hzとし、酸化は空気中500$$^{circ}$$Cで行った。酸化量は重量減3.5%及び7%とした。酸化に伴う疲労強度の低下は引張り強度の低下と同傾向にあり、次式によって表わせた。log〔($$sigma$$$$_{a}$$/$$sigma$$$$_{t}$$$$_{o}$$)($$rho$$$$_{o}$$/$$rho$$)$$^{6}$$$$^{.}$$$$^{2}$$$$^{4}$$〕=-0.00831-0.00988logNf ここで、$$sigma$$$$_{a}$$,$$sigma$$$$_{t}$$$$_{o}$$,$$rho$$$$_{o}$$,$$rho$$及びNfは各々、負荷応力、非酸化材の平均引張り強度、酸化前かさ密度、酸化後かさ密度及び疲労寿命である。また、非酸化材に対する疲労曲線と酸化後引張り強度のデータから推定した非破壊確率99%/信頼限界95%の酸化材の疲労強度は酸化材に対する実験データに基づく値よりも安全側の評価を与えた。

報告書

Evaluation of the Oxidation Behavior and Strength of the Graphite Components in the VHTR, (I); Normal Operation Condition

衛藤 基邦; 黒沢 武; 野村 真三; 今井 久

JAERI-M 87-056, 49 Pages, 1987/03

JAERI-M-87-056.pdf:1.11MB

ヘリウム中における水蒸気酸化デ-タを主として微粒等方性黒鉛IG-110について取得した。温度は1173K~1473Kまでとし、水蒸気濃度は主として0.65vol%、ヘリウム圧力は1気圧とした。反応速度と酸化プロファイルを円柱状試験片を用いて測定した。これらの実験結果に基づいて、高温ガス炉内の燃料ブロックと炉心支持ポストの通常運転時における酸化挙動を推定した。その際、水蒸気濃度に関する補正は1次式またはLangmuir-Hinshelwood式を用いた。上記の黒鉛構造物の寿命期間後の強度と応力-ひずみ関係を別途提出した酸化の影響に関するモデルから推定し、これらの構造物の健全性を明かにした。

論文

Effects of oxidation on compressive deformation behavior of nuclear-grade isotropic graphite

依田 真一; 衛藤 基邦; 田中 克彦*; 奥 達雄

Carbon, 23(1), p.33 - 38, 1985/00

 被引用回数:7 パーセンタイル:45.69(Chemistry, Physical)

抄録なし

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