Applicability study of nuclear graphite material IG-430 to VHTR

大崎 弘貴; 島崎 洋祐; 角田 淳弥; 柴田 大受; 小西 隆志; 石原 正博

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 8 Pages, 2015/05

超高温ガス炉(VHTR)黒鉛構造物の設計では、高強度で、かつ耐酸化性の高い黒鉛材の使用が望まれる。IG-430(黒鉛材)は、VHTR黒鉛構造物の有望な候補材のひとつであるが、高温ガス炉の設計のための十分なデータベースが存在しない。そこで、本研究では、IG-430の設計データとして最も重要な強度の一つである圧縮強度を測定結果を統計的に評価した。また、IG-430黒鉛構造物の信頼性をHTTRの黒鉛設計基準で用いられている安全率をもとに評価し、VHTR黒鉛構造物としての適用性を検討した。その結果、IG-430は、高温ガス炉で使われている従来の黒鉛材の一つであるIG-110よりも高強度(約11%)で、かつ、低い標準偏差(約27%)を持つことが示された。これは、IG-430中のき裂の伝播が、IG-110中と比較して容易でないためと推定される。また、評価したIG-430の破壊確率が低いことから、IG-430を用いることで黒鉛構造物の信頼性の向上が達成できることが分かった。以上より、IG-430がVHTRの黒鉛構造物に適用できる見通しを得た。

超高温ガス炉用等方性黒鉛(IG-110, IG-430)の酸化特性評価; 空気酸化による密度分布と圧縮強度の変化

藤田 一郎*; 衛藤 基邦*; 大崎 弘貴; 柴田 大受; 角田 淳弥; 小西 隆志; 山地 雅俊; 國本 英治

JAEA-Research 2013-004, 20 Pages, 2013/07

JAEA-Research-2013-004.pdf:2.4MB

高温ガス炉や第四世代の超高温ガス炉(VHTR)の炉心構造物には黒鉛が使用される。黒鉛は高温において炉内の冷却材ヘリウムガス中の不純物や空気侵入事故時の酸素ガス等により酸化する恐れがある。このため、黒鉛の酸化特性及びそれに伴う機械的特性の変化を評価しておくことが重要である。本研究では、高温ガス炉(VHTRを含む)用の材料であるIG-110及びIG-430黒鉛の520-900Cにおける空気酸化特性及び酸化に伴う圧縮強度の変化について調べ、以下の結論を得た。(1)IG-430の酸化速度はIG-110の半分以下であるが、活性化エネルギーはほぼ同じ176kJ/molである。(2)酸化による密度分布と圧縮強度の変化には相関があり、同一の酸化重量変化においては、均一酸化が生じる600C以下で強度が最も小さくなる。(3)酸化の進行過程においては、黒鉛試験片内のバインダー由来の結晶性の悪い部分から優先的に酸化が進行する。そのため、酸化消耗については、ガス化以外に、コークス粒子が脱離する影響も考慮する必要がある。

Correlation of microstructure and compressive strength of C/C composite using X-ray tomography

角田 淳弥; 柴田 大受; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 小西 隆志*; 沢 和弘

IOP Conference Series; Materials Science and Engineering, 18(16), p.162012_1 - 162012_4, 2011/09

https://doi.org/10.1088/1757-899X/18/16/162012

炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)は、その強度及び耐熱性が優れていることからVHTR制御棒要素の候補材の一つである。2次元C/Cコンポジットの特性評価モデルの開発は、C/Cコンポジット製制御棒の設計において最も重要な課題の一つである。2次元C/Cコンポジットの特性は、繊維/マトリックス等の微細構造に強く依存するので、その微細構造から特性を評価することが可能であると考えられる。本研究では、2次元C/Cコンポジットの微細構造をもとにした特性予測開発モデルを開発することを目的として、X線CT像を用いて気孔分布を調べ、微細構造に基づくモデルを開発した。また、圧縮強度を測定するとともにモデルを用いて評価した。その結果、X線CT像から2次元C/Cコンポジットの気孔分布を視覚的に確認し、その容積や形状を評価することができた。また、本モデルを用いて2次元C/Cコンポジットの応力分布傾向を摸擬することが有用であることを示した。しかしながら、正確に応力の大きさを評価するためには、2次元C/Cコンポジットの特性評価及び適切なメッシュの設定が必要である。

R&Ds for application of IG-110 graphite to VHTR in-core components

柴田 大受; 國本 英治; 角田 淳弥; 山地 雅俊*; 小西 隆志*; 沢 和弘

no journal, , 

第4世代原子力システムにおける超高温ガス炉(VHTR)は炉外に約950Cの高温のヘリウムガスを供給できる高温ガス炉である。日本の高温工学試験研究炉(HTTR)の炉内構造物には、微粒等方性のIG-110黒鉛(東洋炭素製)が使われており、高温ガス炉への応用が実証された黒鉛であり、VHTRの炉内黒鉛の主要な候補である。HTTRのための日本の黒鉛設計方針等ではIG-110黒鉛を炉内構造物に応用するうえでの基準が示されており、特性データ,酸化効果,照射効果等が含まれている。また、IG-110黒鉛の構造物試験の結果を反映している。したがって、IG-110黒鉛に対する黒鉛設計方針等は、必要な修正を行うことでVHTRの炉内黒鉛構造物へ適用可能であり、そのためにはVHTR条件におけるIG-110黒鉛の設計データの確立が重要な課題の一つである。VHTRの黒鉛構造物はHTTRよりも高照射量にさらされるため、高温・重照射における照射データの取得が重要であるが、照射データの内外挿方法の開発により、設計データの構築に役立てることが可能である。本研究は、IG-110黒鉛のVHTR炉内構造物への応用のための研究開発課題について取りまとめた結果を発表する。

Evaluation of oxidation effect on 2D-C/C composite (CX-270G) for the application to stress analysis of control rod element of VHTR

角田 淳弥; 柴田 大受; 藤田 一郎; 山地 雅俊; 衛藤 基邦*; 小西 隆志; 沢 和弘

no journal, , 

超高温ガス炉(VHTR)は、高温のヘリウムガスを炉外に取り出すことができ、固有の安全性を有しており、第4世代原子力システムの有力な候補である。VHTRの制御棒要素には優れた耐熱性及び安定性が要求されるため、炭素繊維強化炭素複合材料(C/C複合材)は、金属材料に代わる候補材料である。しかし、C/C複合材製の制御棒は、原子炉の運転時に1次冷却材ヘリウムガス中の極微量の不純物により徐々に酸化の影響を受け、また、空気侵入事故には短時間で酸化するため、C/C複合材の材料特性に対する酸化効果を評価することが重要である。本研究では、2次元C/C複合材であるCX-270G(東洋炭素製)を対象とし、引張強度,曲げ強度,層間せん断強度及びヤング率に及ぼす酸化の影響を評価した。その結果、酸化によるCX-270Gの材料特性の変化は、酸化による重量減少率を用いて指数関数的に表せることを明らかとした。また、CX-270Gの取得したデータを用いてVHTR制御棒構造の応力解析を実施した結果、発生する熱応力の最大値は材料強度より十分小さく、強度の観点からC/C複合材製の制御棒の成立性に見通しを得た。

Pre-irradiation sample size validation on the compressive strength of nuclear graphite for HTGRs

國本 英治; 小西 隆志; 衛藤 基邦*; 角田 淳弥; 柴田 大受; 沢 和弘; 黒田 雅俊*; 加藤 雄大*

no journal, , 

黒鉛の強度は、かさ密度や電気抵抗率等の特性と比較して試験片間のばらつきが大きいため、より多くの試験片を用いて評価する必要がある。現在IG-110黒鉛とIG-430黒鉛の高温・重照射試験を実施する計画であるが、照射キャプセルの容積には限りがあるため、装荷する試験片をできるだけ小さくする必要がある。本研究では、微粒等方性黒鉛であるIG-110黒鉛とIG-430黒鉛の照射試験を実施するにあたり、圧縮試験片を小型化することによる妥当性を評価した。その結果、ASTMで推奨されている圧縮試験片の寸法よりも小さい試験片を用いた場合でも、同等な圧縮強さを得ることができることが明らかとなった。微粒等方性黒鉛は、一般的に物理特性のばらつきが小さいが、本研究においても微粒等方性黒鉛の圧縮強さは、予想通りばらつきが小さいことを確認した。これは、高温ガス炉の材料として、設計上の安全裕度を高くできることを示している。

高温ガス炉用黒鉛の照射特性の評価

柴田 大受; 角田 淳弥; 植田 祥平; 大崎 弘貴; 國本 英治; 衛藤 基邦*; 小西 隆志

no journal, , 

原子力機構では、公衆・社会・環境に有害な影響を与えない本質的に安全な高温ガス炉の研究開発を進めている。高温ガス炉の炉内に使用される黒鉛にとって、照射クリープ特性の評価は特に重要な課題であり、微粒等方性黒鉛(IG-110及びIG-430)の照射クリープ特性を評価した。他の黒鉛の照射クリープデータを活用して整備した予測評価式が、IG-110の照射クリープ特性を表すうえで有効であることを明らかにし、またIG-430の照射クリープ特性も表現できる見込みを得た。

Evaluation of material properties of IG-430 graphite for next generation High Temperature Gas-cooled Reactor; Compressive strength and Oxidation property

大崎 弘貴; 小西 隆志*; 衛藤 基邦*; 柴田 大受; 角田 淳弥

no journal, , 

黒鉛材料は黒鉛減速ヘリウムガス冷却炉である高温ガス炉(HTGR)の内部構造材として使用されている。高温ガス炉は、高温のヘリウムガスを取り出すことができ、また固有の安全特性を有することが大きな特徴である。そして、超高温ガス炉(VHRT)はGeneration-IV核原子炉システムとして最も有力な候補の一つである。IG-110黒鉛は高い品質安定性と長期に渡る安定的な供給が可能なことからVHTRの内部構造材の主要な候補でもある。また、IG-110よりも高強度と耐酸化性を有するIG-430は、VHTRのための先端的候補材料である。しかし、新しい材料であるIG-430は、IG-110の様な高温ガス炉の設計に用いられる十分なデータベースがあるとは言えない。そこで、設計に必要な機械的強度特性,熱特性,照射特性についてデータベースの整備を行っている。本研究では、IG-430黒鉛のデータ取得を目的として、IG-110とIG-430の圧縮強度と酸化消耗率について比較・検討した。その結果、IG-430の優れた物理特性を明らかにした。さらにマイクロインデンテーション法を用いた破壊靭性値を簡便に評価する方法について検討した。

Characterization of oxidation behaviour of boron-doped graphite

角田 淳弥; 大崎 弘貴*; 國本 英治*; 山地 雅俊*; 小西 隆志*

no journal, , 

黒鉛材料は、黒鉛減速ヘリウムガス冷却高温ガス炉(HTGR)の炉内構造物使用される。高温ガス炉は、高温のヘリウムガスを取り出すことが可能で、固有の安全性を有する魅力的な原子炉である。高温ガス炉の炉心を支える炉心支持黒鉛構造物は、高温ガス炉で最も苛酷事象である空気(水)侵入事故において、高い安全性を確保する観点から、炉心の形状を維持し、炉心の冷却を可能にするため、耐酸化性が要求される。そのため、耐酸化性能に優れた黒鉛を開発することにより、高温ガス炉の安全性をさらに高めることが可能になる。ボロン添加黒鉛は、耐酸化性を向上させた黒鉛の候補材料であり、これまで酸化時にBCからBOに変化し、酸化の進行を防ぐことが報告されているが、ボロン添加黒鉛を炉心支持黒鉛構造物に使用するためには、その酸化メカニズムを理解する必要がある。本研究では、ボロン添加黒鉛(GB-210)について、酸化試験, 曲げ強度及び表面観察の結果から、酸化のメカニズムを定性的に評価した結果を報告する。