2015 Fiscal Year Annual Research Report
冷却不良によるジルカロイ被覆管破損の模擬実験とZrO2の変態温度通過時の酸化特性
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25289236
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| Research Institution | Akita University |
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Principal Investigator |
金児 紘征 秋田大学, その他部局等, 名誉教授 (20006688)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福本 倫久 秋田大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20343064)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ジルカロイ / 水蒸気酸化 / 酸素センサー / 水素センサー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
福島原発事故で過酷事故に至る初期段階として、ジルカロイ被覆管破損事故があった。それを契機として、実際に冷却不良下ではジルカロイ被覆管はどのように酸化、破損するかを想定して具体的に模擬した研究の重要性を認識した。そこで高温にさらされたジルカロイに生成するZrO2被膜がその変態温度通過時に酸化、破損することが最も深刻であると想定し、その状況を新規の方法で調べる。具体的には、ZrO2の変態温度（1205℃の単斜晶→正方晶変態、1525℃正方晶→立方晶変態）付近で電気炉を温度振動させて、熱重量、発生水素量のその場測定をして酸化特性を調べる。また、被覆管内に核燃料の代わりに発熱体を挿入した実験系を組み立て、冷却不良状態を模擬して、ジルカロイの酸化、破損する過程をデモンストレーションし、温度振動の結果と比較して、検証する。
水蒸気、また酸素を含む水蒸気混合ガス流体中に所定温度で保持したジルカロイ4の酸化挙動を後段に設置した水素センサー、酸素センサーで調べた。前年度は1250℃までの実験を行ったが、27年度は1700℃の高温まで高温酸化試験を行った。また、破損する過程をデモンストレーションする装置を組み立て、実際に水蒸気流出による温度上昇と水素発生状況を調べた。また、水素センサーの代替センサーとして酸素ポンプセンサーを用いる方法を考案して実際に適用した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ジルカロイの1250℃以下の酸化については前年度に引き続き詳しい知見を得た。1250℃以上の高温における酸化実験を開始した。1700℃までの昇温酸化試験を行ったが、実験装置の整備に手間取り、十分な頻度の測定が行えなかった。生成ジルコニアの変態（正方晶→立方晶）が予想される温度範囲での知見が不足している。本年度は、ジルカロイの水素爆発に関するシュミレーション試験については、次の手順で模擬試験を行った。水中に沈んだ発熱体を内蔵した小規模ジルカロイ管の水を抜き、水素の発生状況とジルカロイの破損状況を内蔵発熱体温度（空焚き状態の温度）をパラメータにして調べることにした。水を急激に抜き、900℃まで昇温する過程における水素発生を半定量的に調べた。しかし、水素センサーがしばしば破損したため、十分な定量測定が行えなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
理由に示したように、1700℃までの昇温酸化試験がまだ不十分であるため、各種実験条件で酸化試験を行う。また、シミュレーション試験については基本的な実験法は確立したので、水素の発生状況について定量的測定を行う。それらの結果を総括し、ジルカロイの水蒸気酸化に伴う水素爆発の形態について総合的に考察する。そして、今後の原子炉操業時の過酷事故に関する知見として役立てる。
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| Causes of Carryover |
当初設計している実験炉では予定していた温度、雰囲気での実験を適切に行えないことが判明し、実験計画を再検討する必要が生じた。また、注文生産品である発熱体及び水素センサーの破損により、交換に必要以上の日数を要した。水素センサー、酸素センサーを用いた実験が十分に行えなかったので、センサー類購入の消耗品代等が未使用となった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
以上の事由により研究計画に約一年の遅れが生じたため、研究期間を延長して、平成28年度に変態温度における温度振動法実験を常圧、加圧下における水素爆発の模擬実験を行うこととした。したがって、本年度に使う費用はそれらの実験遂行のために主として水素センサー、酸素センサーの素材および電極材料の購入費である。
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