JP4901630B2 - 燃料被覆管の試験方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、原子炉で使用される燃料被覆管の機械的特性評価や安全性評価に有効な試験方法及びその装置に関し、特に、運転時の異常過渡変化が発生したときの燃料被覆管の安全性評価に使用する試験方法及びその装置に関する。
近年、商用軽水炉では、設備利用率の向上及び核燃料再処理コストの低減を背景とした核燃料の高燃焼度化が進められている。
最近の実験炉を用いた高燃焼度燃料の出力急昇試験（非特許文献1参照）では、核燃料の線出力が約40 kW/mに達すると、燃料被覆管の外周部において半径方向に多数の水素化物が析出することが確認された。通常の運転時における被覆管ではこのような半径方向水素化物の析出は生じないが、異常過渡変化時に発生するこの半径方向水素化物の析出は、燃料被覆管の健全性上考慮すべき重要な挙動となる。
最近の実験炉を用いた高燃焼度燃料の出力急昇試験（非特許文献1参照）では、核燃料の線出力が約40 kW/mに達すると、燃料被覆管の外周部において半径方向に多数の水素化物が析出することが確認された。通常の運転時における被覆管ではこのような半径方向水素化物の析出は生じないが、異常過渡変化時に発生するこの半径方向水素化物の析出は、燃料被覆管の健全性上考慮すべき重要な挙動となる。
すなわち、異常過渡変化時では、これにより被覆管の機械的特性が変化し、ひいては異常過渡変化時に生ずる燃料被覆管とその内側に納められた燃料ペレットとの機械的相互作用によって被覆管外周に亀裂が生じ、最終的には被覆管が破損に至る可能性がある。
したがって、核燃料の安全性評価をより精度よく行うためには、異常過渡変化時におけるこの半径方向水素化物の析出現象を詳細に解析する必要が求められている。
「A metallographic and fractographic study of outside-in cracking caused by power ramp tests」 Journal of Nuclear Material, 327(2004) 97-113 "
「A metallographic and fractographic study of outside-in cracking caused by power ramp tests」 Journal of Nuclear Material, 327(2004) 97-113 "
上述したように、従来は、異常過渡変化を模擬した出力急昇試験は実験炉を用いて行われていたが、実験炉の使用はコストが高く、また、試験に要する期間も長くなるという問題があった。さらに、実験炉では、線出力、被覆管内に発生する応力、温度、被覆管に含まれる水素濃度等をパラメータとして系統的に試験を行うことが困難で、その結果、それらの因子が半径方向に析出する水素化物の分布、密度等に及ぼす影響について詳細に解析することは困難であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、異常過渡変化時の高出力、高温・高圧及び高腐食雰囲気にある炉心環境を実験室レベルにおいて再現することにより、異常過渡変化時における燃料被覆管の挙動を正確に把握することができる燃料被覆管の試験方法及びその装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は原子炉で使用される燃料被覆管の試験方法において、水素が添加された燃料被覆管試験片に内部ヒータを挿入し、次に前記燃料被覆管試験片を圧力容器内に封入し、次に前記燃料被覆管試験片を前記内部ヒータで加熱するとともに前記燃料被覆管試験片の内圧を所定圧まで上昇させ、前記圧力容器の外側に設けられた外部ヒータ及び冷却管により前記燃料被覆管試験片を所定温度に調節することを特徴とする。
また、本発明は原子炉で使用される燃料被覆管の試験装置において、燃料被覆管試験片と、前記燃料被覆管試験片内に挿入される内部ヒータを有する加熱装置と、内部ヒータを保持するヒータ固定部と、燃料被覆管試験片を固定する試験片固定部と、前記燃料被覆管試験片を内部に収納する圧力容器と、前記燃料被覆管試験片内又は前記圧力容器に加圧水を導入するための加圧水導入部と、前記圧力容器の外周に設置される冷却管と、前記圧力容器の外面に設けられる外部ヒータと、を具備することを特徴とする。
本発明は上記特徴的な構成により、異常過渡変化時における炉心環境である、高温、高圧、高腐食雰囲気を実験室レベルで再現することにより、異常過渡変化時における燃料被覆管の安全性評価試験を正確に、かつ低コスト及び短期間で行うことが可能となる。
（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、本発明で用いられる燃料被覆管の試験装置の全体構成図、図２は、加熱試験時の試験用の燃料被覆管１の断面図である。
以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、本発明で用いられる燃料被覆管の試験装置の全体構成図、図２は、加熱試験時の試験用の燃料被覆管１の断面図である。
この試験装置は、試験用の燃料被覆管１（以下、「燃料被覆管試験片」という。）、燃料被覆管試験片１内に挿入される例えばシースヒータからなる内部ヒータ２ａを有する加熱装置２、内部ヒータ２ａを保持するヒータ固定部４、燃料被覆管試験片１を固定する試験片固定部５、前記燃料被覆管試験片１を内部に収納する圧力容器７、前記燃料被覆管試験片１内又は圧力容器７に加圧水を導入するための加圧水導入部６ａ、６ｂ、高圧ポンプ８、９、圧力容器７の外周に設置される冷却管１３及び圧力容器の外面、例えば下部に設けられる外部ヒータ１４から構成される。
実際の軽水炉用被覆管は、図３に示すようにジルコニウム金属からなるライナ部１ａとジルコニウム合金からなるジルカロイ部１ｂから構成されているが、燃料被覆管試験片１は、実際の被覆管から長さ約１０〜１５ｃｍ切り出したものを使用する。
次に、本発明の第１の実施形態に係る試験方法について説明する。
まず、２ｍｏｌ／ｌの水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）水溶液を圧力容器７に充填し、燃料被覆管試験片１を試験片固定部５により圧力容器内７内に保持収納し、約３００℃に加熱して試験片を腐食させることにより水素添加を行う。なお、圧力容器７の代わりに別途用意したステンレス等からなる容器を使用してもよい。
本実施形態では２ｍｏｌ／ｌの水酸化リチウム水溶液を用いたが、必要とする水素添加量に応じてモル濃度を増減させてもよい。
まず、２ｍｏｌ／ｌの水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）水溶液を圧力容器７に充填し、燃料被覆管試験片１を試験片固定部５により圧力容器内７内に保持収納し、約３００℃に加熱して試験片を腐食させることにより水素添加を行う。なお、圧力容器７の代わりに別途用意したステンレス等からなる容器を使用してもよい。
本実施形態では２ｍｏｌ／ｌの水酸化リチウム水溶液を用いたが、必要とする水素添加量に応じてモル濃度を増減させてもよい。
図４は上記処理後の燃料被覆管試験片１の金相図で、添加された水素の一部は水素化物としてジルカロイ部１ｂに円周状に析出しているのが見られるが、大部分はライナ部１ａに析出していることがわかる。
上記処理により燃料被覆管試験片１に水素を添加した後、水酸化リチウムは排出され、次に、燃料被覆管試験片１内にヒータ２ａが挿入され密封される。次に、水タンク１０から加圧水が高圧ポンプ８、９及び加圧水導入部６ａ、６ｂを介して燃料被覆管試験片１内と圧力容器７内にそれぞれ供給される。図２は、燃料被覆管試験片１内にシースヒータ２ａと加圧水１６が導入された状態を示している。
次に、加熱装置２の出力を所定の値まで上昇させ、冷却管１３の冷却水量および外部ヒータ１４により燃料被覆管試験片１の外面温度を約２８８℃に調節する。また、燃料被覆管試験片１の内圧を約４８ＭＰａまで上昇させる。
次に、この状態を一定時間保持した後、加熱装置２の出力を下げるとともに燃料被覆管試験片１内外の圧力を下げ、燃料被覆管試験片１を冷却し、その金相観察を行った。試験は、保持時間を約４時間、約２時間及び約３０分にして行った。
次に、試験結果について説明する。
図５及び図６は上記処理を行った燃料被覆管試料片１の金相写真である。図５の保持時間が約２時間の燃料被覆管試験片１では、水素の熱拡散により被覆管外表面近傍に水素化物が偏析し、また外表面から約100 mmの範囲において半径方向水素化物が高密度に形成されていた。
図５及び図６は上記処理を行った燃料被覆管試料片１の金相写真である。図５の保持時間が約２時間の燃料被覆管試験片１では、水素の熱拡散により被覆管外表面近傍に水素化物が偏析し、また外表面から約100 mmの範囲において半径方向水素化物が高密度に形成されていた。
この半径方向水素化物の析出状態は、実験炉を用いた異常過渡変化を模擬した出力急昇試験において観察されたものに類似しており、当該試験が実際の異常過渡変化時の炉心環境をほぼ忠実に再現していることがわかる。
なお、保持時間が４時間の試験片の金相も図５と同様な分布、密度を有する水素化物が確認された。
なお、保持時間が４時間の試験片の金相も図５と同様な分布、密度を有する水素化物が確認された。
また、図６は、保持時間が３０分の燃料被覆管試験片１の金相図である。図６によれば、試験片１の外表面近傍において高密度の半径方向水素化物は見られないが、半径方向水素化物の析出が始まっていることを確認できる。
以上の試験から、保持時間が約３０分以上であれば、実際の異常過渡変化時に析出する半径方向水素化物をほぼ忠実に再現できることがわかる。
以上の試験から、保持時間が約３０分以上であれば、実際の異常過渡変化時に析出する半径方向水素化物をほぼ忠実に再現できることがわかる。
本第１の実施形態によれば、上記試験装置及び試験方法を採用することにより、異常過渡変化時の炉心及び燃料被覆管環境である高温、高圧、高腐食環境を実験室レベルにおいて再現することにより、異常過渡変化時における燃料被覆管の安全性評価試験を正確に、かつ低コスト及び短期間で行うことが可能となる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態では、燃料被覆管試験片１に高密度の半径方向水素化物を析出させるものであるが、本第２の実施形態は、さらに燃料被覆管試験片１の内圧を上げ、被覆管試験片１を破壊に至らせる破壊試験に関する。
第１の実施形態では、燃料被覆管試験片１に高密度の半径方向水素化物を析出させるものであるが、本第２の実施形態は、さらに燃料被覆管試験片１の内圧を上げ、被覆管試験片１を破壊に至らせる破壊試験に関する。
破壊試験を行う際は、図１において水タンクから加圧水を高圧ポンプ８、加圧水導入部６を介して供給し、破断に至るまで被覆管試験片１の内圧を上げる。燃料被覆管試験片１は圧力容器内に収容されているので、破断片は外部に飛散しない。
また、事前に燃料被覆管試験片１の外面に傷を設けて破壊試験を行ってもよい。これにより、実際の原子炉において亀裂が生じた燃料被覆管が破壊にいたるまでの挙動を、実験室レベルで再現し解析することができる。
（第３の実施形態）
上記第１の実施形態では、燃料被覆管試験片１に水素を添加する場合、水酸化リチウム水溶液を用いたが、この方法以外に、燃料被覆管試験片１を陰極として電解液に浸せきし、電気分解により水素を添加する方法、及び燃料被覆管試験片１を高温高圧の水素ガス中に所定時間保持することにより水素を添加する方法を採用してもよい。
上記第１の実施形態では、燃料被覆管試験片１に水素を添加する場合、水酸化リチウム水溶液を用いたが、この方法以外に、燃料被覆管試験片１を陰極として電解液に浸せきし、電気分解により水素を添加する方法、及び燃料被覆管試験片１を高温高圧の水素ガス中に所定時間保持することにより水素を添加する方法を採用してもよい。
１…燃料被覆管試験片、２…加熱装置、２ａ…内部ヒータ、３…フランジ、４…シースヒータ固定部、５…燃料被覆管試験片固定部、６ａ、６ｂ…加圧水導入部、７…圧力容器、８、９…高圧ポンプ、１０…水タンク、１１、１２…リークバルブ、１３…冷却管、１４…外部ヒータ、１５、１６…加圧水。
Claims (5)
- 原子炉で使用される燃料被覆管の試験方法において、水素が添加された燃料被覆管試験片に内部ヒータを挿入し、次に前記燃料被覆管試験片を圧力容器内に封入し、次に前記燃料被覆管試験片を前記内部ヒータで加熱するとともに前記燃料被覆管試験片の内圧を所定圧まで上昇させ、前記圧力容器の外側に設けられた外部ヒータ及び冷却管により前記燃料被覆管試験片を所定温度に調節することを特徴とする燃料被覆管の試験方法。
- 前記燃料被覆管試験片を高温の水酸化リチウム水溶液に所定時間浸せきさせることにより、前記燃料被覆管試験片に水素を添加することを特徴とする請求項１記載の燃料被覆管の試験方法。
- 前記燃料被覆管試験片を陰極として電解液に浸せきし、電気分解により前記燃料被覆管試験片に水素を添加することを特徴とする請求項１記載の燃料被覆管の試験方法。
- 前記燃料被覆管試験片を高温高圧の水素ガス中に所定時間保持することにより前記燃料被覆管試験片に水素を添加することを特徴とする請求項１記載の燃料被覆管の試験方法。
- 原子炉で使用される燃料被覆管の試験装置において、燃料被覆管試験片と、前記燃料被覆管試験片内に挿入される内部ヒータを有する加熱装置と、内部ヒータを保持するヒータ固定部と、燃料被覆管試験片を固定する試験片固定部と、前記燃料被覆管試験片を内部に収納する圧力容器と、前記燃料被覆管試験片内又は前記圧力容器に加圧水を導入するための加圧水導入部と、前記圧力容器の外周に設置される冷却管と、前記圧力容器の外面に設けられる外部ヒータと、を具備することを特徴とする燃料被覆管の試験装置。
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