JPS63140991A - ガス冷却型原子炉用炭素材料の脱ガス特性改善方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明はヘリウムガス冷却型原子炉特に高温ガス冷却
型原子炉の炉床部材に主に用いられる構造用炭素材料の
脱ガス特性を改善する方法に関する。

〔従来技術とその問題点〕

ガス冷却型原子炉のうち特に運転時の炉心出口ガス温度
が７００〜１０００°Ｃとなる高温ガス冷却型原子炉の
炉心部は高温においても化学的活性Ｙ有せずまた分解も
生じないヘリウムガスで冷却される。

第２図は高温ガス冷却型原子炉の炉心構造とヘリウムガ
スの流れの一例！模式的に示した縦断面図である。炉心
部は前記の高温においても良好な安定性を保つことので
きる黒鉛のブロックを多数積み重ねた構造であり、中央
部の燃料領域１においては、これらの黒鉛ブロック中に
同じく黒鉛系材料と核燃料とから成る燃料棒２や耐熱合
金表の中性子吸収体？多数連結した制御棒３が挿入され
ている。前記の燃料領域？囲んで黒鉛ブロックの反射体
４および１７があり、炉心部は反射体４の外側の鋼製の
側部遮蔽体５を介して鋼製の炉心拘束機ｍ６によってこ
れも鋼製のコアバレル７に固定されている。この炉心全
体がさらに優裂の圧力容器８内に納められている。

冷却用のヘリウムガスの流れは第２図中矢印で示されて
おり、圧力容器８の底部に接続された二重管構造の配管
の外管９より約４００°Ｃの温度で導入され、コアバレ
ル７の内外を上昇し、圧力容器８の上部で流れの方向ケ
反転して下降流となって燃料棒２や制御棒３の挿入され
ている冷却チャンネル１０や１１中ケ下降し約１０００
°Ｃに昇温され、反射体４中の図示されていない冷却チ
ャンネルの下降流とともに炉心下部の高温プレナム１２
に合流し、炉床部１；３に設けられた出口管１４を通っ
て炉外へ導かれる。したがって炉床部１３の上下面はそ
れぞれ約１０００’Ｃの出口ガスと約４００°Ｃの入口
ガスに接することにより約６００℃の温度差？生ずる。

このため炉床部１３には熱遮蔽ブロック１５を備えて熱
遮蔽ケ行い、出口ガス温度の低下による利用熱効率の低
下あるいは入口ガス温度上昇による炉心冷却特性の悪化
や炉床部１３！支持する鋼製の炉心支持板１６の健全性
！損なうことなど！防止している。この熱遮蔽ブロック
１５には黒鉛材料よりも熱伝導率の小さい炭素材料が用
いられる。炭素材料は黒鉛材料にくらべて焼成温度が低
く黒鉛のように結晶化が十分進行せず結晶構造的に不完
全な材料である。熱伝導は結晶格子の熱撮動のエネルギ
が波動として伝達される現象であるから、結晶構造が不
完全で欠陥が存在すると上記の熱振動のエネルギの伝達
が妨げられる。このことが結晶構造の不完全な炭素材料
の方が黒鉛よりも熱伝導率が小さい理由である。しかし
その反面結晶構造の不完全さにもとづく上記の欠陥は材
料中の溶存ガスの吸着しやすい活性点となる。したがっ
て炭素材料は黒鉛材料にくらべてはるかに活性点ン多く
有するために雰囲気中からの溶存ガスとしての取り込み
量が必然的に多くなり、高温においてこれらを冷却用の
へ＋１ウムガス中に含まれる不純物として放出するよう
になる。

第３図は原子炉級の黒鉛材料と炭素材料とについて放出
ガス量と材料温度との関係を比較したものである。黒鉛
材料はＩＧ−１１，ＩＧ−１１０，）’ＧＸの３銘柄で
あり、炭素材料はＡＳｌ（−ＯＲＢ、ＡＳＲ−１１（Ｈ
の２銘柄である。これらの各試料を温度１５〜ｍ℃、湿
度３０−５０％で約１０日間大気放置した後４００℃、
６００°Ｃ，８００”Ｃ，１０００’Ｃの各温度で１時
間（１０００°Ｃの場合には２時間）真空中に保持して
ガス？完全に放出させたもので、各温度における試料１
２当りの放出ガスの容積で示しである。放出ガスの組成
は銘柄によって異るが、Ｈ２Ｏ、Ｈ２＋Ｎ２．　ＣＯ、
ＣＯ２などケ主成分としており、炭素材料は特に８２（
ＪとＣＯ２と？多く含有するのが特徴である。第３図か
ら明らかなように炭素材料の放出ガス量は黒鉛材料にく
らべて約１桁多くなっており、炭素材料の活性点が黒鉛
材料にくらべてはるかに多いことが示されている。

ヘリウムガス冷却型原子炉内の雰囲気は不活性なヘリウ
ムガスであって、ヘリウムガス自体が黒鉛材料や炭素材
料と直接反応することはない。しかしながら長期間にわ
たる運転中に炭素材料から放出される溶存ガスなどによ
ってヘリウムガスの清浄度が低下し、へ１１ウムガス中
に含まれる微葉の酸化性不純物たとえばＨ２Ｏ、（”’
０２．　（Ｊ２などによって炉内の黒鉛材料、炭素材料
、金属材料などの炉内構造材料の酸化腐食が促進される
。このことから特に炭素材料ではガスン不純物として放
出するのみならず、ガスケ放出した後の活性点が前記の
不純物ガスと反応して酸化腐食されやすくなるという問
題がある。また原子炉の冷却ガス循還系においては、へ
１１ウムガス純堝系の機能ゲ過大に設定せねばならない
ことから、規模の増大にともなう建設面および運転面で
のコスト的な問題も生ずる。

〔発明の目的〕

この発明は上述の問題点？解決して原子炉用炭素材料の
活性点ケ減少させる処理方法？提供すること？目的とす
る。

〔発明の要点〕

この発明は炭素材料のガス吸看点となる活性点に安定な
燐酸基ケ吸着させることによって活性点を減少させよう
とするものである。すなわち炭素材料ｖ夏空雰囲気中で
高温に加熱して脱ガス処理し、これを燐酸化合物溶液に
浸漬して十分に含浸させ、密閉容器中で加熱して前記燐
酸化合物の蒸気を発生させて炭素材料内部の小さな気孔
の内側まで前記燐酸化合物ケ浸透吸着させる。さらに非
酸化性ガス中で高温に加熱処理して炭素材料に含浸され
ている前記燐酸化合物を分解し、その分解によって生じ
た燐酸基を前記脱ガス処理で生じた溶存ガスの吸着個所
である活性点に安定に吸着させる。

〔発明の実施例〕

以下この発明ケ実流側にもとづき説明する。

前述した従来の炭素材料ＹＸＸ空回囲気中１０００℃の
高温下で１時間熱処理を施し、吸着されていたガスを追
い出す脱ガス処理？施す。この炭素材料？常温に冷却し
た後ただちに燐酸トリメチル（（ＣＨ３０）３ＰＯ）溶
液に浸漬し、炭素材料内部まで十分に燐酸ト１１メチル
溶液ケ含浸させる。次にこの燐酸ト１１メチル溶液を含
浸させた炭素材料乞密閉容器中で２００℃前後に加熱し
、燐酸トリメチルの蒸気ケ発生させろ。この操作によっ
て燐酸トリメチルの充気は前述の含浸の過程で浸透し切
れなかった炭素材料内部の小さな気孔の内表面にまで行
きわたって吸着されるようになる。次いでこの燐酸ト！
１メチルゲ含んだ炭素材料ケたとえば窒素。

アルゴン、ヘリウムなどのような非酸化性ガス中におい
て８００〜１２００℃で加熱処理する。この加熱処理に
よって炭素材料に含浸されている燐酸トＩＩメチルが分
解し、分解によって生じた燐酸基が前記の′ｊＸ空脱ガ
ス処理によって生じた活性点ｌこ吸着される結果、活性
点は大幅に減少する。

第１図はこの発明の有効性？示したものであって、炭素
材料ＡＳＲ−０）ｔＢについて上記一連の処理（Ｋ空脱
ガス後燐酸処理）ゲ施したものと無処理のものの１２当
りの各温度におけるガス放出ｔｙａ’示しである。試験
条件は第３図１こ示したものと同様であって、温度１５
〜２０℃、湿度側〜（支）％でそれぞれの炭素材料Ｙ約
１０日間大気放置した後４００℃。

６００℃、８００°Ｃ，１０００″Ｃの各温度で約１時
間に空中で保持して吸着したガスＹ完全に放出させてい
る。また真空脱ガス熱処理？施さずに燐酸処理だけを行
ったもののガス放出量も比較のために示しである。

無処理のもののガス放出量か１ｏ　　（ｍＶｙ　）であ
るのに対して燐酸処理のみｔ施したものではほぼ半分に
減少しており、さらにこの発明の方法によって真空脱ガ
ス後燐酸処理を施したものでは、無処理のものとくらべ
約１桁から２桁にわたって放出ガス量が低減されている
。さらに真空脱ガス処理後燐酸処理？施したものは幅広
い温度領域（４００〜１０００℃）においてその効果を
有することが特徴的に示されている。この値は第３図に
示す黒鉛材料ＩＧ−１１のガス放出量と比較すると高温
領域においてはほぼ同等で低温領域においてはかえって
下まわっており、この発明の方法が活性点を減少させる
上できわめて有効であることが示されている。

燐酸トＩＪメチルの分解によって生じる燐酸基と炭素材
料の活性点との化学反応過程はまだ正確には明らかにさ
れてはいないが、第１図に示す真空脱ガス後燐酸処理を
施したものの放出ガス量の特性に示されるように１００
０℃の高温においても放出ガス量の低減効果を保有して
いることから、吸着した燐酸基は高温においても安定に
存在し炭素材料の結晶構造の欠陥にもとづく活性点を占
有していることが推察される。この発明の方法は主とし
て冷却用のヘリウムガス中に炭素材料中に溶存ガスとし
て取り込まれたガスが不純物として放出され、冷却用の
ヘリウムガスの清浄度を低下させることケ防止するもの
であるが、活性点が減少する結果炭素材料とヘリウムガ
ス中の不純物との酸化反応も同時に防止することができ
る。

この発明の方法で処理される炭素材料の用いられる炉床
部１３は核反応の行われる溶料領域１の外側にある。し
かも活性点に吸着される燐酸基！構成する燐と酸素の熱
中性子吸収断面積は燐が約０．２バーン、酸素はゼロと
みなされており、この炭素材料近傍の側部遮蔽体５や炉
心支持板１６ヲ構成する鉄やクロムの熱中性子吸収断面
積の０．２２バーン。

０．２６バーンとくらべてはるかに小さい。したがって
この発明の方法で処理された炭素材料ケ用いても核反応
は全（影響？受けない。

なおこの実施例では燐酸化合物として燐酸トリメチル？
用いた場合について説明したが、燐酸トリメチル以外に
５酸化燐やシロップ状燐酸などの燐酸化合物？用いても
同様の結果ゲ得ることができる。

〔発明の効果〕

以上の実施例で説明したように、この発明では結晶構造
における欠陥の多い炭素材料？真空脱ガス後燐酸化合物
溶液による含浸熱処理を施し、ガス吸着の活性点となる
箇所に高温でも安定な燐酸基？あらかじめ生成、吸着さ
せておくことによって、炭素材料のガス放出にかかわる
結晶構造の欠陥、すなわち活性点を高温でも安定な＠酸
基で置き換えて活性点？減少させるようにしたので、放
出ガス量ケ無処理の炭素材料にくらべて１〜２桁小さく
することができる。

このため本発明の方法で炭素材料を処理することによっ
て、高温ガス炉？長期間運転する際にも放出ガスｔｖ低
く抑えることができ、冷却用のヘリウムガスの清浄度の
低下ならびにこれら不純物による炭素材料自体ケ含めた
炉内構造材料の酸化腐食の促進を防止することができる
。これと同時に冷却ガス純化系の負担ケ軽減させ、小規
模の純化装置で機能？果し得ることから来る装置の建設
ならびに運転上のコスト的なメ１１ットもある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の効果Ｙ示す炭素材料の放出ガス量と
温度との関係ケ表わす線図、第２図は高温ガス冷却型原
子炉の炉心構造とヘリウムガスの流れの一例？示す模式
図、第：う図は従来の炭素材料と黒鉛材料について放出
ガス誓と材料温度との関係の比較？示した線図である。 ９：外管、１０，１１：冷却チャンネル、１２：高温プ
レナム、１３：炉床部、１４：出口管、１５：熱遮蔽ブ
ｉ　　Ａｊ　　（’Ｃ） 第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）炭素材料を真空雰囲気中で１０００℃近傍あるいは
   それ以上に加熱して脱ガス処理し、次いで燐酸化合物溶
   液を十分に含浸させた後密閉容器中で加熱して前記燐酸
   化合物を内部の気孔まで蒸発浸透させ、さらに非酸化性
   雰囲気中で８００℃ないし１０００℃の温度に加熱処理
   して前記燐酸化合物を分解し、その分解によって生じた
   燐酸基を前記炭素材料の溶存ガスの吸着箇所である活性
   点に安定に吸着させることを特徴とするガス冷却型原子
   炉用炭素材料の脱ガス特性改善方法。 ２）特許請求の範囲第１項記載の方法において、燐酸化
   合物が燐酸トリメチルであることを特徴とするガス冷却
   型原子炉用炭素材料の脱ガス特性改善方法。