小無健司

国立大学法人東北大学金属材料研究所

参画機関

国立大学法人東北大学、三菱 FBR システムズ株式会社、株式会社東芝、(ཷク⪅)ᅜ❧኱Ꮫἲேᮾ໭኱Ꮫ(◊✲௦⾲⪅)ᑠ↓೺ྖ 㔠ᒓᮦᩱ◊✲ᡤ

国立大学法人大阪大学、国立大学法人東京大学、ニュークリア・デベロップメント株式会社、(෌ጤクඛ)୕⳻
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独立行政法人日本原子力研究開発機構
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平成２１年度～２４年度
研究開発期間(◊✲㛤Ⓨᮇ㛫)ᖹᡂ㸰㸯ᖺᗘ㹼㸰㸲ᖺᗘ㸯㸬◊✲㛤Ⓨࡢ⫼ᬒ࡜ࡡࡽ࠸
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口頭発表課題Ỉ⣲໬≀୰ᛶᏊ྾཰ᮦࢆ⏝࠸ࡓ㠉᪂ⓗ㧗㏿⅔⅔ᚰࡢᐇ⏝໬◊✲㛤Ⓨ

研究代表者〈原子力システム研究開 発 〉

水素化物中性子吸収材を用いた革新的高速炉炉心の実用化研究開発

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26

Pt ⥺

ゼンバーナー火炎で加熱し、燃焼挙動を観察した。
その結果、水素化物ペレットは水素ガスの燃焼とは異なり爆発を起こさH㹤࣌ࣞࢵࢺず 1000℃を越える高温になってはじめてゆっくりと燃焼することが分かった（図２）。高温まで安定である理由は、水素化物ペレット表面の酸化反応が燃焼を抑制しているためと考えられる。
３）内面コーティング被覆管量産化検討
水素化物ピン開発の主要課題の一つは、高温での被覆管を透過しての水素の損失抑制である。水素化物ペレットのࣈࣥࢮࣥࣂ࣮ࢼ࣮ᅗ㸰࣌ࣞࢵࢺ⇞↝ヨ㦂ᕥᅗ㸦⇞↝୰㸧ྑᅗ㸦⇞↝⤊஢᫬㸧

水素濃度が下がると制御棒価値が減少するので被覆管の水素透過を抑制する必要がある。
水素化物ピンからの水素透過を抑制するためには、被覆管の内面に水素透過防止コーティングを行う方法が有効である。アルミカロライジング処理後に処理膜を研磨した上で、800℃で 2 時間以上の酸化処理によって、良好な水素透過抑制効果が得られることを見出した。量産化への適用の観点から検査方法および溶接手法について整理した。
４）ナトリウム充填試験
ハフニウム水素化物は熱伝導度が高いためにペレット内の温度勾配は小さい。被覆管－ペレットギャップの熱伝達（ギャップコンダクタンス）を良くできれば、原子炉運転中のハフニウム水素化物の温度を低く保つことができる。そのため、被覆管－ペレットギャップ中にナトリウムを充填したナトリウムボンド型制御棒を開発した。ペレットと被覆管のギャップ部における残留ボイドを X 線透過装置で確認したところ、気泡は残留しておらず、被覆管とペレットの間隙部にナトリウムが良好な状態で充填されていることを確認した。また、ナトリウム充填後の長尺ピンを用いて被覆管端栓溶接を実施し制御棒を最終形状まで仕上げられることを確認した。
５）水素化物の高温相状態・安定性評価試験
ハフニウム水素化物の原料であるハフニウム金属中には、必ず不純物としてジルコニウムを含有する。これはハフニウムとジルコニウムは周期律表上同じ族（IVb 族）であり化学的性質が類似しており分離することが難しいためである。そこで、高温における相状態と安定性に及ぼす不純物ジルコニウムの影響を評価した。その結果、不純物ジルコニウムの含有量が 10at.%までの範囲であれば、不純物ジルコニウムの含有は、ハフニウム水素化物の高温相状態に殆ど影響を及ぼさないことがわかった。
また、ジルコニウム不純物の物性値に及ぼす影響について評価した結果、ジルコニウムが含有することにより、密度、硬度、熱伝導率が減少することが明らかになった。そのため、原料であるハフニウム金属中に含まれる不純物ジルコニウム量は数％以内とすることが望ましい。
６）両立性試験
水素化物ピン内の各構成材料（内面コーティング済み被覆管、ハフニウム水素化物、ナトリウム）の高温両立性試験を、表面研磨した平面試料による全面密着試験、10cm に切断した被覆管材内部に封入したピン内試験および、ピンを液体ナトリウム中に設置するナトリウム中試験の 3 種類の試験により実施した。それぞれの試験では、水素透過抑制内面コーティング膜と液体ナトリウムの両立性、内面コーティング膜と水素化物ペレットの両立性、及び水素化物ペレットとステ27

口頭発表課題〈原子力システム研究開 発 〉

放出されるのみであった。次にペレットを戸外においてブンࣥࣞࢫ࡜ࡢ୧❧ᛶࢆㄪ࡭ࡓࠋ
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水素化物ピンを設計しその有効性、健全性が照射試験によって確かめた。実用化のためには、本課題の成果をもとに集合体を設計し、もんじゅまたは他の炉で、その有効性と健全性を実証する必要が有る。また、今回は、実施期間が４年間であったため照射試験の期間が１年間であったが、より長い照射期間の照射試験データが必要である。今回開発した原子炉用水素化物は、「中性子吸収材料や燃料」と「中性子減速材」の２つの役割を併せ持った機能性材料である。この材料をもとにした新しい炉心のアイデア生み出す可能性が期待できる。
４．参考文献(1) K. Konashi, K. Itoh, T. Kido, Y. Kosaka, S. Seino,“Development of Hydride Neutron
Absorber for Fast Reactor, - Irradiation Experiment on Hydride Neutron Absorber in BOR-60-”Proceedings of ICAPP 2013, Jeju Island, Korea, April 14-18, 2013, Paper No. FA232.
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