JP2013213682A - 金属水素化物制御棒およびそれを用いた高速炉 - Google Patents

金属水素化物制御棒およびそれを用いた高速炉 Download PDF

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Tetsuji Kaneko
哲治 金子
Fumihisa Kano
文寿 鹿野
Masahiko Ariyoshi
昌彦 有吉
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Toshiba Corp
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Abstract

【課題】 金属水素化物制御棒において金属ナトリウム中で安定して金属水素化物の水素
損出を抑制する。
【解決手段】 金属水素化物制御棒１は、ステンレス鋼管２内に装荷される金属水素化物
３と、ステンレス鋼管２と金属水素化物３の間隙に設けられるナトリウム４とを備え、酸
化アルミニウムを除くナトリウム４に対してギブスの自由エネルギーが正となる金属酸化
物から選択された材料のコーティング層がステンレス鋼管２の内周面に形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ステンレス鋼管内に金属水素化物を装荷し、ステンレス鋼管と金属水素化物
の間隙に金属ナトリウムを充填する金属水素化物制御棒およびそれを用いた高速炉に関す
る。
制御棒に金属水素化物を用いたナトリウム冷却高速炉の技術が開発されている。制御棒
として金属水素化物を用いた場合、水素化物中の水素の原子密度は水の水素と同等である
ため、水素化物は水と同様の減速材効果を発揮し、高速中性子を減速させた熱中性子をハ
フニウムやジルコニウム等の金属に吸収させることによって原子炉の制御を行うことがで
きる（例えば、特許文献１参照。）。
上述した金属水素化物制御棒には、ステンレス鋼管内に金属水素化物を装荷し、ステン
レス鋼管と水素化物の間隙に金属ナトリウムを充填する構成のものがある。また、上述し
た金属水素化物制御棒の熱中性子吸収の性能寿命は、金属水素化物からの水素の解離とス
テンレス鋼管からの水素の透過による水素損出により支配される。
特公平５−８８４３８号公報
上述した特許文献１に記載の技術をはじめとする金属水素化物制御棒において、ステン
レス鋼管からの水素透過または水素化物からの水素解離を抑制するコーティングを施す技
術が要求されている。ステンレス鋼管の内周面のコーティングに金属酸化物を用いた場合
、金属ナトリウムは還元力が強いため、多くの金属酸化物は還元され、長期的に安定して
水素透過、解離を抑制することができない可能性がある。
そこで本発明は、金属ナトリウム中で安定して金属水素化物の水素損出を抑制すること
ができる金属水素化物制御棒の提供を目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の金属水素化物制御棒は、ステンレス鋼管内に装荷
される金属水素化物と、ステンレス鋼管と金属水素化物の間隙に設けられるナトリウムと
を備え、酸化アルミニウムを除くナトリウムに対してギブス自由エネルギーが正となる金
属酸化物から選択された材料のコーティング層がステンレス鋼管の内周面に形成されるこ
とを特徴とする。
本発明によれば、金属水素化物制御棒において金属ナトリウム中で安定して金属水素化
物の水素損出を抑制することができる。
本発明の第１の実施形態に係る金属水素化物制御棒の概略縦断面図。 各金属酸化物の金属ナトリウム中の熱力学的安定性評価を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態に係る金属水素化物制御棒の概略縦断面図。 本発明の第３の実施形態に係る金属水素化物制御棒の概略縦断面図。 本発明の第４の実施形態に係る金属水素化物制御棒の概略縦断面図。
以下、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第１の実施形態に係る金属水素化物制御棒について図１および図２を参
照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る金属水素化物制御棒の概略縦断
面図である。金属水素化物制御棒１は、ステンレス鋼管２と、金属水素化物３と、金属ナ
トリウム４と、コーティング層５とから構成される。
ステンレス鋼管２は、円筒形状の鋼管である。金属水素化物３は、例えばハフニウム（
Ｈｆ）やジルコニウム（Ｚｒ）等の金属の水素化物を適用することができる。金属水素化
物３は、ステンレス鋼管２の内径よりも小さい直径の円柱形状であり、金属水素化物３内
の縦方向に複数装荷される。ステンレス鋼管２と金属水素化物３の間隙には金属ナトリウ
ム４が充填される。
コーティング層５は、材質として酸化イットリウム、酸化チタン、酸化タンタルおよび
酸化ジルコニウムのいずれか単体もしくは２種以上の複合酸化物を適用することができる
。図１に示すようにコーティング層５は、ステンレス鋼管２の内周面に形成される。コー
ティング層５の形成方法としては、ゾルゲル法、ないし蒸着法およびその後の熱酸化処理
によって形成することができる。
（作用）
以下、本発明の第１の実施形態の作用について説明する。図２は、各金属酸化物の金属
ナトリウム中の熱力学的安定性評価を示すグラフである。この評価は、各種金属酸化物が
金属ナトリウムによって金属元素まで還元される反応を仮定して行っている。
図２に示すように、金属ナトリウム４に対してギブス自由エネルギーが正の値の場合、
金属ナトリウム４の還元力よりも自身の還元力が強く、金属酸化物が金属ナトリウム４中
で安定である。ところが、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）については、酸化アルミニウ
ム（Ａｌ２Ｏ３）をアルミニウム（Ａｌ）に還元するギブス自由エネルギーは高いものの
、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）は一部が金属ナトリウム４と反応してＮａＡｌＯ２と
なり、ＮａＡｌＯ２はギブス自由エネルギーが０近傍であるため、さらに金属ナトリウム
４に還元される可能性がある。したがって、金属ナトリウム４に対してギブス自由エネル
ギーが正となる金属酸化物が、金属ナトリウム中において熱力学的に安定であり、さらに
酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を除くことが好適である。
上述した評価結果より、金属酸化物のうち金属ナトリウム４中でギブス自由エネルギー
が正である材料を選択し、当該金属酸化物をステンレス鋼管２の内面にコーティングを施
すことで、金属水素化物３からステンレス鋼管２内に解離した水素をステンレス鋼管２内
に保持することができる。結果、金属水素化物３の含有水素量の低下を抑制することがで
き、金属水素化物制御棒１の性能寿命を長くすることができる。
（効果）
本発明の第１の実施形態によれば、酸化アルミニウムを除く金属ナトリウム４に対する
ギブス自由エネルギーが正である金属酸化物のうちをコーティング層５としてステンレス
鋼管２の内周面に形成することによって、コーティング層５と金属ナトリウム４との反応
を防ぎ、さらに金属水素化物３からステンレス鋼管２内に解離した水素をステンレス鋼管
２内に保持することができる。
（第２の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第２の実施形態に係る金属水素化物制御棒について図３を参照して説明
する。第１の実施形態に係る金属水素化物制御棒の各部と同一部分には同一符号を付し、
同一の構成についての説明は省略する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る金属水素化物制御棒の概略縦断面図である。第
２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、コーティング層５をステンレス鋼管２の内
周面に代えて金属酸化物３の表面に形成する点である。図３に示すようにコーティング層
５は、金属水素化物３の円柱形状のうち少なくとも側周面に形成される。
（作用）
以下、本発明の第２の実施形態の作用について説明する。金属水素化物３の表面にコー
ティング層５を形成することによって、金属水素化物３から解離した水素をコーティング
層５によって内部に保持、または水素の解離を抑制することができる。この場合、水素が
金属ナトリウム４へ漏えいしないため、より金属水素化物３の含有水素量の低下を抑制す
ることができる。
さらに、複数の金属水素化物３の表面にコーティング層５を形成した後に、ステンレス
鋼管２内に装荷することによって、長尺のステンレス鋼管２の内周面にコーティングする
場合に比べてコーティングを容易に形成することができる。
（効果）
本発明の第２の実施形態によれば、金属水素化物３の表面にコーティング層５を形成す
ることによって、コーティング層５と金属ナトリウム４との反応を防ぎ、さらに金属水素
化物３から解離した水素をコーティング層５内に保持することができる。
（第３の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第３の実施形態に係る金属水素化物制御棒について図４を参照して説明
する。第１の実施形態に係る金属水素化物制御棒の各部と同一部分には同一符号を付し、
同一の構成についての説明は省略する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る金属水素化物制御棒の概略縦断面図である。第
３の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、コーティング層５がコーティング内層５ａ
と、コーティング外層５ｂとから構成される点である。
コーティング内層５ａには酸化チタン、酸化タンタルおよび酸化ジルコニウムのいずれ
か単体もしくは２種以上の複合酸化物を適用し、コーティング外層５ｂには酸化イットリ
ウムを適用することができる。図４に示すように、コーティング内層５ａはステンレス鋼
管２の内周面に形成され、コーティング外層５ｂはコーティング内層５ａの表面に形成さ
れる。
（作用）
以下、本発明の第３の実施形態の作用について説明する。金属ナトリウム４と接触する
コーティング外層５ｂについて、図２に示すように特にギブス自由エネルギーの高い酸化
イットリウムを適用することによって、より金属ナトリウム４との反応を抑えることがで
きる。
さらにコーティング内層５ａには、適用する酸化チタン、酸化タンタルおよび酸化ジル
コニウムのいずれか単体もしくは２種以上の複合酸化物を適用し、さらにこのうちステン
レス鋼管２へのコーティングが容易であり、ステンレス鋼管２と強固に密着する材料を選
択することで、より安定したコーティングを形成することができる。
（効果）
本発明の第３の実施形態によれば、コーティング内層５ａには酸化チタン、コーティン
グ外層５ｂには酸化タンタルおよび酸化ジルコニウムのいずれか単体もしくは２種以上の
複合酸化物を適用することによって、コーティング層５と金属ナトリウム４との反応を防
ぎ、さらに金属水素化物３からステンレス鋼管２内に解離した水素をステンレス鋼管２内
に保持することができる。
（第４の実施形態）
（構成）
以下、本発明の第４の実施形態に係る金属水素化物制御棒について図５を参照して説明
する。第１の実施形態に係る金属水素化物制御棒の各部と同一部分には同一符号を付し、
同一の構成についての説明は省略する。
図５は、本発明の第４の実施形態に係る金属水素化物制御棒の概略縦断面図である。第
４の実施形態が第２の実施形態と異なる点は、コーティング層５がコーティング内層５ａ
と、コーティング外層５ｂとから構成される点である。
コーティング内層５ａには酸化チタン、酸化タンタルおよび酸化ジルコニウムのいずれ
か単体もしくは２種以上の複合酸化物を適用し、コーティング外層５ｂには酸化イットリ
ウムを適用することができる。図５に示すように、コーティング内層５ａは金属水素化物
３の少なくとも外周面に形成され、コーティング外層５ｂはコーティング内層５ａの表面
に形成される。
（作用）
以下、本発明の第４の実施形態の作用について説明する。金属ナトリウム４と接触する
コーティング外層５ｂについて、図２に示すように特にギブス自由エネルギーの高い酸化
イットリウムを適用することによって、より金属ナトリウム４との反応を抑えることがで
きる。
コーティング内層５ａには、適用する酸化チタン、酸化タンタルおよび酸化ジルコニウ
ムのいずれか単体もしくは２種以上の複合酸化物を適用し、さらに金属水素化物３へのコ
ーティングが容易であり、金属水素化物３と強固に密着する材料を選択することで、より
安定したコーティングを形成することができる。さらに、複数の金属水素化物３の表面に
コーティング層５を形成した後に、ステンレス鋼管２内に装荷することによって、多層の
コーティングを容易に行うことができる。
（効果）
本発明の第４の実施形態によれば、コーティング層５と金属ナトリウム４との反応を防
ぎ、さらに金属水素化物３から解離した水素をコーティング層５内に保持することができ
る。
１・・・金属水素化物制御棒
２・・・ステンレス鋼管
３・・・金属水素化物
４・・・金属ナトリウム
５・・・コーティング層
５ａ・・・コーティング内層
５ｂ・・・コーティング外層

Claims (8)

  1. ステンレス鋼管内に装荷される金属水素化物と、
    前記ステンレス鋼管と前記金属水素化物の間隙に設けられるナトリウムとを備え、
    酸化アルミニウムを除く前記ナトリウムに対してギブスの自由エネルギーが正となる金属
    酸化物から選択された材料のコーティング層が前記鋼管の内周面に形成されることを特徴
    とする金属水素化物制御棒。
  2. 前記コーティング層は、前記ステンレス鋼管の内周面に代えて前記金属水素化物の表面
    に形成されることを特徴とする請求項１に記載の金属水素化物制御棒。
  3. 前記コーティング層は、前記ステンレス鋼管の内周面および前記金属水素化物の表面に
    形成されることを特徴とする請求項１に記載の金属水素化物制御棒。
  4. 前記コーティング層は、材質が酸化イットリウム、酸化チタン、酸化タンタルおよび酸
    化ジルコニウムのいずれか単体もしくは２種以上の複合酸化物であることを特徴とする請
    求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の金属水素化物制御棒。
  5. 前記コーティング層は、前記金属水素化物または前記ステンレス鋼管の表面に形成され
    るコーティング内層と、このコーティング内層の外側に形成され、前記ナトリウムに接触
    するコーティング外層から構成され、
    前記コーティング内層は、酸化チタン、酸化タンタルおよび酸化ジルコニウムのいずれか
    単体もしくは２種以上の複合酸化物であり、前記コーティング外層は、酸化イットリウム
    であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の金属水素化物制御棒
    。
  6. 前記コーティング層は、ゾルゲル法によって形成されることを特徴とする請求項１乃至
    請求項５の何れか一項に記載の金属水素化物制御棒。
  7. 前記コーティング層は、蒸着法およびその後の熱酸化処理によって形成されることを特
    徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の金属水素化物制御棒。
  8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の金属水素化物制御棒を原子炉に設けたこと
    を特徴とするナトリウム冷却高速炉。
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