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冷却材喪失事故条件下でのジルカロイ

被覆管と水蒸気との反応

日 本 原 子 力 研 究 所

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JAERI-M reports, issued irregularly, describe the results of research works carried out in JAERI. Inquiries about the availability of reports and their reproduction should be addressed to Division of Technical Information, Japan Atomic Energy Research Institute, Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-kcn, Japan.

この報告書は.日本原子力研究所が JAERI.Mレポートとして，不定期に刊行している

研究報告書で

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.

入手，複製などのお閉会わせは，日本原子力研究所技術情報部(茨城県

那珂郡東海村)あて，お申しこしください.

lAERI.M reports， issued irregularly， describe the results o! research works carried out

I.lJAERI. Inquiries about the会vailabilityof reports and their reproduction should.，，.

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ed to Divisioll o[ Technical In[ormation， ]apau Atomic Energy Research Institule， Tokai.mura， Naka.gun， lbaraki.kcll. lapan.

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JAERI-M 6181 冷 却 材 喪 失 事 故 条 件 下 で の ジ ル カ ロ イ 被 覆 菅 と 水 蒸 気 と の 反 応 円 -EL 、 沼 e

・

f d ' 日 本 原 子 力 僻 究 所 東 海 研 究 所 安 全 工 学 部 川 崎 ー 了 ， 古 田 照 夫 ， 橋 本 政 男 ( 1 9 7 5年6月 24日 受 理 ) 水 冷 却 炉 の 冷 却 材 喪 失 事 故 に 公 け る 燃 料 被 覆 管 と 水 蒸 気 と の 反 応 挙 動 を 解 明 す る た め ， ジ ル カロイ管の水蒸気による酸化速度と，酸化による観性の変化を測定した。 ジルカロイの水蒸気による酸化量は反応時間の平方根&c比例し，反応の活性化エネルギーは 40，500 ca 1 /mo 1であった。 水 蒸 気 と の 反 応 に よ り 酸 化 し た 試 料 に つ い て 震 平 試 験 に よ る 靭 性 を 測 定 し た 。 靭 性 は 酸 化 量 の増加と共に低下するが，脆イヒ挙動は水蒸気との反応、温度によって異在る。同一酸化量の試料 を 比 較 す る と ， 低 温 で 反 応 さ せ た 試 料 は ， 高 温 反 応 材 よ り も

β相 中 へ の

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相 の 侵 入 が 多hにも か か わ ら ず 靭 性 の 低 下 は 少 左I/>。 高

JAERI-M 6181

Z i r c a l o y - S t e a m R e a c t i o n u n d e r a S i m u l a t e d

L o s s - o f - C o o l a n t A c c i d e n t

Satoru KAWASAKI, T e r u o FURUTA a n d Masao HASHIMOTO

D i v i s i o n of R e a c t o r S a f e t y , T o k a i , JAERI

( R e c e i v e d J u n e 2 4 , 1975 )

Under a simulated loss-of-coolant condition, the r e a c t i o n between z i r c a l o y

and steam and the embrittlement of the z i r c a l c y oxidized by t h i s reaction

have been studied.

The parabolic r a t e constant, kp, i n the zircaloy-steam r e a c t i o n i s represented

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Ring compression i e s t was made on the steam-reacted zircaloy t u b e s , and

following r e s u l t s were obtained:

Embrittlement of the steam-reacted zircaloy tube increases with oxidation

a t each oxidation temperature. For a given quantity of the oxidation, the

incursion of a-phase i n t o B-phase i s more remarkable i n the specimens reacted

a t low temperatures than those a t high temperatures. The embrittlement,

however, i s l a r g e r in the specimens oxidized a t high temperatures than those

a t low temperatures.

JAERI-M 6181

Zircaloy-Steam Reaction under a Simu1ated

Loss-of-Coo1ant Accident

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KAWASAKI

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Teruo FURUTA and Masao HASHIMOTO

Division of Reactor Safety

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Tokai

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1975 )

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苦 言

4 1 I l l i -軽 水 炉 の 冷 却 機 喪 失 事 故(LOCA)i...:於けるジルカロイ被覆管の挙動については既に各国 から多数の研究結果が報告され， LOCA1J寺の安全解析指針もい〈つかの国で決められているo それにもかかわらずしの介野の研究が進めら.札ているのは下記の理由に依るものと考えられる。 (Il 安 全 性 研 究 特 有 の 性 格 の た め に ， 他 の 介 野 以 上K追試によるデ-j!ーの信頼性確認が必要 をとと。 !?it;1 ， (2) 安全解析~使用されているデーターは安全側の評価を与えるととが確認されていても，安 全余裕度の定量的念評価が出来ないものが多いとム。 (3J 或る試験演目では多〈の実験結果が報告されてャ、るの に も か か わ ら ず ， 統 ー し た 結 論 が 引 き出せ乏い程実験結果の一致が悪いとと。

w

一 部 の 試 験 項 目 で は 公 表 さ れ た デ ー タ ー が 非 常 に 少 設 い と と 。 ( 公 表 さ れ て い 左hデータ ー が 多 い ) LOCAVC於 け る ジ ル カ ロ イ 被 覆 管 の 挙 動 の 研 究 テ ー マiむ採り上げ方には二つの方法が有.Q.， ß!IJ ち「試験条件を LOCA の条件~合せて安全解析に使用ずるデーターを求めるととを主目的 とする方法Jと rLOC A時 の 現 象 を 正 確K把 握 す る た め . 機 嫌 の 解 明 を も 含 め た 試 験 を 行 う 方法」である。 本 試 験 は 前 者 の 性 格 が 強 い 一 連 の 実 験 計 画 の 一 部 を 在 す も の で あ

.

9

，との試験!tC引続いて模 擬燃料棒(単体)の水蒸気中加熱試験が計画されている。

2

実 験 方 法

用 い た 材 料 は 外 径 1O. 7D11l，内径9.3聞のPWR用 ジ ル カ ロ イ ー4管で組成をTablelVC示す。 管よ 9:畏さ 15 mrn!tC切 b出された試料をアセトンで洗浄後秤量し，試験!宅用いた。 水蒸気との反応試験にはFigl$>よび2!tC模式的

κ

示 さ れ る 二 種 類 。 装 置 を 夫 々 の 特 長 に 応じて用いた。 Fi g 1 K示されるものは高周波誘導方式で試料を加熱反応させるもので， 1気 圧 以 上 の 水 蒸 気 圧 雰 囲 気 を 作 れ ， 叉 昇 混 プ ロ グ ラ ム を 組 む と と が 出 来 る が ， 水 蒸 気 流 量 調 節K 難点がある。 Fig2の 装 置 は カ ン タ ル 線Kよる外熱式であ9，操作と水蒸気流量調節が容易で あると言う利点があるが，あま

b

高 温 で の 試 験 が 出 来 左 い と 止 と ， 温 度 プ ロ グ ラ ム を 組 め な い と言う失点がるZ90本 報 告 中 の 水 蒸 気 反 応 試 験 はFi g 2の装置の場合は勿論，Fi g 1 K 示 す 装置の場合も 1気圧の水蒸気中で行勺え。 反応後試料を大気中で放冷し，再び秤量して重量増加から反応量を求めた。 水 蒸 気 反 応 試 料 の 靭 性 は 扇 平 試 験 で 求 め た 。 扇 平 試 験 の 応 力 一 歪 曲 線 の 代 表 例 を

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示

す。靭性は応力が最大値の 80COJ!tC落 ち る 迄 の ク ロ ス ヘ ヅ ド の 移 動 距 隊 で 表 し た 。 馬 予 試 験

κ

は イ ン ス ト ロ ン 引 張b圧 縮 試 験 機 を 用 い ， 歪 速 度 は50crn/rnin，雰毘?気は大気である。 組 織 観 察 は 試 料 を 機 械 研 磨 後HF: HNO_{a グリセリン}

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2 1 6体 積 比 の 混 合 液T腐 食 して行っ免。一部の試料については島津製作所製

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線 マ イ ク ロ プ 十 ラ イ ザ ー で 酸 1.宅分 布測定も行った。硬度は試料の機械研磨後ピッカース硬度言十を用いて測定した。 - 1

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実 験 結 果

ジルカロイー水蒸気の反応速度定数を求めるに先立って反応量に及ぼす水蒸気流量及び反応 量一反応時間の関係を求めた。 Fig 1111:1000'(:， 10minの反応量K及 ぼ す 水 蒸 気 減 量 の 影響を， Fig5 111: 1000 '1:;~於ける反応量一反応時間の関係を示す。 Fi g <.¥では水蒸気流 速 が 約 150cm/secの処で反応量に若雫の増加があるようにも見えるが，とれはむしろ実験 誤差と考え，反応速度は水蒸気流速に依存し念いと見るべきであろう。水蒸気反応量はFig5 K見られるように，反応時間の平方根にほぼ比例して増加している。 F i g 5の結果から

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2

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t 但し，

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反応

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量 kp:反 応 速 度 定 数 反応時間 の関係が成立ずるが， 900-1200 'Cの範習で求めた kp を Fig~6tc 示す o ~$-図中には， 現在各国でLOCAの安全解析に用いられているBaker-.Jus t(t)の値と，国重量材料Kヲいて同 様 左 試 験 を 行 っ た 本 間 等(2)の実験結果も併載したo但し本間等は水蒸気との反応量を霊量増加 で は 念 <，生成酸化層厚さから求めている。 本試験では kp=3.24XIO

・

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9

，ζの値は900'(:を越えると Baker-Jus tの 値 よ り 小 さ <，本間等の値よ

b

はil!IJ定 全 額 域K対して小さい。反応の活性化エネルギーは本間等の値と略等しく， Baker-Justの 値よ

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小さいo 900-1250'Cの水蒸気雰囲気中で10mi n保持した試料の靭性をF i g 7111:示す。図中 の150，普及 17flJJ酸化の点線は日本及び米国でのLOCAI'r.:於いて被覆管に許容された最大酸 化反応量である。 100'1:;の扇平試験では酸化量の増加と共に級住は低下してい〈が. 15% の酸化でも靭性が少し残っている。文300'(:の試験では100'(:の場合主

P

靭性がか左

b

大き

<

，約 15婦の酸化でもか左b観性がある。なか変位 5.2πmの測定値はとの点で変形を止めた ととを意味し，との点で破壊し支のではないr F i g 8はFi g 7の試料の肉厚中心部の硬度を示したものであるが，との場合は横輸を処理 混度で整理している。夜度は処理温度の上昇と共に増加しているが，との上昇は酸素の侵入と 冷却開始温度の相異に依るものと考えられるので，比較のために真空中で同一時間(1 Omin ) 加熱後，大気中で冷却した場合と，空気中で 10min加 熱 後 同 様 に 冷 却 し た 場 合 の 硬 度 も 記 載 した。 水蒸気酸化した試料中の酸素の分布のX線マイクロアナライザーによる測定結果をFi g 9 111:示す。 ジルカロイを水蒸気中で酸化させると表面からZr O! .酸素含有量の高い金属層 (a相)， 酸素含有量の少い金属層 ({J相)の 3相が出来るが，反応温度によって失hの層の厚さ及び性 質 が 異

9，そ@ため被覆管の靭性も絞って〈ると考えられている。

Figl0は靭性と酸化量と 2

-、

JAERI-M 6 1 8 1 T a b l e 1 Chemical compos i t i on of Z i r c a l o y — 4 E l e m e n t Sn Fe Cr Ite+Cr + Ni A£ B Cd Co Cu Hf Mn Si Con t e n t (w/o ) 1.4 6 0.2 2 0.10 0.32 00063 000005 000005 0.0005 00010 00083 00010 00030 E l e m e n t T i W u Pb G£ Mg Ca C 0 H N Zr Con t e n t (w/o ) 0.0010 0.0010 0.00035 00010 00020 00005 00005 00080 01280 00020 00018

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の関係を反応温度毎に示したものであ!J.Figs 11-13はとれらの反応材の組畿を示して いる。反応量が20mg/cm2_{附近では 1100'C附近で処理したものが 1000'C処理材よ}

_b

_も 靭性が高いが，反応量の増加と共に急激に靭性が低下する。 1000'Cで反応させ先試料の靭 性の反応量による変化は少い。 1200'C反応材は 20mg/cm2_{程 度 の 酸 化 で も 靭 性 が 比 較 的} 低 <.酸化の増加と共に更に低下する。 a相の

P

相中へ侵入は同一酸化量では反応温度の低い試料程著るしいが，いずれの反応湿度 でも時間の増加と共陀多〈走ってい〈。

4

考 察

水蒸気中でのジルカロイの酸化量は反応の極〈初期及び温度が非常に高いか又は水蒸気@供 給か不足の場合を除けば，反応時聞の平方根K比例すると言われてbり(3)本 実 験 で も 同 様 念 結 果が得られた。との関係は試料表面の酸化膜中のイオンの拡散が反応を律速しているととを示 唆して:;j;>!J.との機構から反応速度への水蒸気流速の影響は無加ものと考えられるよ又Hesson 等(3)もジルカロイー2の水蒸気中酸化K及ぼナ水蒸気流速の影響を調べ，本試験と同様念結果 を得ている。 本試験で求めたktは 900 'c以上で BakerーJus tの値よ

b

低 <. 温 度 上 昇 と 共 に そ の 差 が拡が円ていたが.LOOAでジルカロイの酸化が問題陀f.cる混度範囲では彼等の健は高過ぎ「る と言われている{4i本間等は本試験法と異念

b

酸化膜厚から求めているが(但しkpへ の 換 算 (5) は 著 者 等 が 行 っ た ).本試験と同様

κ

重量増加叉は水素発生量から kpを求めた Lemmon Wh i t e{6lKEep fe r(7)等の結果も本試験結果よ

b

少し高い。 被覆管の機械的性質を求める場合にはい〈つかの間題があるD 本試験の場合!tCは.LOOA 時花被覆管に働ぐ荷重の性質と大きさを検討して試験方法及び結果の整理を行左うととが望ま しいが.LOCA時の炉内挙動が完全には解明されていない現状では，との考察で試験方式を決 めるととは出来老い。 Sca t ena(3)は冷却水による被覆管の急冷時の熱応力が大きいとと討旨摘 して If> るが，他の荷重を無視し得る~らば，水蒸気中で熱せられた試料を水中 ttc 投入して割れ の有無を調べる方法が妥当であろう。しかし他の荷重を無視するのは現状では危険左ので，試 料の脆性が一番高い冷却後の続性を調べるのが安全であろう。 Hobson(8)は靭性測定 K衝撃馬 平試験を採用しているが，本試験は彼等の方法よ D 大昔日の靭性を与えるとと ttc~ ろう。 3

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6 # I t S

(1) L . B i k e n & L. C. J u s t : A N L - 6 5 4 8; ( 1 9 6 2 ) (2) ^:|H;*.~. % : B*W.^tl¥£;Wm 4?&mMmftW£i, B - 7 ( 1 9 7 4 ) (3) fflJUU . C . H e s s on e t a£ : A N L - 7 6 0 9 ( 1 9 7 0 ) («) ^ J - i l i ' G. J • S c a t e n a : C R E S T S p e c i a£ Mee t i n g on t h e S a f e t y o f W a t e r - 4 — JAERI-f¥{6181 本 試 験 で 得 ら れ た 応 力 一 歪 曲 線 か ら 靭 性 を 求 め る 方 法 も い く つ か 考 え ら れ るa最 大 荷 重 ま で の 変 位 量 (Fi g 3の 伽1)で観性を表すのも一方法であるが，との場合には最大荷重点で割れ が入る場合(脆い試料)も，との点を越えても更に変形が進む場合もデ -~I'C 差が出念い。本 試 験 で 採 用 し た 荷 重 が 最 大 値 か ら 20 qb低 下 し た 処 迄C変 位 で 表 わ す 方 法 は 更 に 検 討 の 余 地 が 有 る が ， 人 為 的 念 修 正 を 加 え ず に デ ー タ ー の 処 理 を 行 っ て も 比 較 的 靭 性 を 良 〈 表 し て い る と 思 われる。 低湿の水蒸気中でよ

b

高 視 の 場 合 と 同 ー の 酸 素 を 吸 収 さ せ る 先 め に は 長 時 間 の 反 応 が 必 要 で あるがp 仁の場合Kは Figs11~13 1'C 示すように低温になる程 F 相中への a 相の侵入が著 るし〈走る。一般l1: a 相の F 相中への侵 λが見られるようI'C~るとジルカロイは脆 1t すると言 わ れ て い る が.1000'Cで処理した試料は a相 の 侵 入 が 馨 る し い 35mg/cm2_{反 応 材 で も あ} ま

D

脆 化 し て い 念 い 。 一 方1200'Cで反応させた試料には a棺の侵入が殆んど見られ左い剖乞 脆化が守るしい。とのよ 5~ 組織と機械的性 ~fíl(2)ずれは主Kβ相 の 性 質 ， し た が っ て

P

相 の 酸 紫含有置に起因していると思われる。 Fig811:水蒸気中と真空中で方自熱した試料の肉厚中心 郊 の 硬 変 が 示 さ れ て い る が.1050'C附近から両者の硬度I'C差が生じ，温度が高〈走るにつ オてその差が鉱がってい〈実験結果は上述の推論を裏付けるものであろう。~$>図中の大気中 酸化材置、硬度が水蒸気中酸化￠場合と等しいととは拡散で中心部陀到達し先酸素が硬度を変化 させているととを示唆している。

5

結 論

ジ凡Fカロイー4管 を 水 蒸 気 中 で 加 熱 ， 酸 化 さ せ ， 反 応 速 度 と 酸 化 に よ る 靭 性 の 変 化 を 測 定 し 下 記 の 結 果 を 得 たo (]) t 0 0 ~. 1 2 0 0 'cでの反応速度定数kpは 40500 kp=3.24X 108elcp ( 一 一 一 一 )

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小 さ <.温度上昇と共I'CそC 幾は拡がってい〈。 (2) 水 蒸 気 で 酸 化 さ れ た 試 料 の 級 住 は 酸 化 量 の 増 加 と 共 に 俗 下 し て い 〈 が . 同 一 酸 化 量 の 試 料 含比較した場合には，酸化温度が低い場合の方が一般に脆化が少在い。 (3) 所定の酸化量を得る場合11:.低温で反応させた試料では9相 中 へ のa相の侵入がよ b著る しい。 Lかし低温反応材は a相 の 侵 入Kもかかわらず靭性の低下が少念い。

6

参 照 文 献

(lJ .L.Blken & L.C.Just :ANL-65118

，

(1962)

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(~) 例えば(}.J. Scatena : CREST Sppciaf Meeting on the Safety of Water

-J A K R . I - M 6 1 8 1 R e a c t o r F u c ^ E l e m e n t ( 1 9 7 3 ) (5) A . W. Lernnon I B M I - 1 1 5 4 S e c . C ( 1 S 5 7 ) (6) D . J . F . W h i t e : G E M P - 4 7 5 A , P 2 3 7 ( 1 9 6 7 ) (7) D. H . H . K£epfer '. A P E D - 5 4 5 4 ( 1 9 6 8 ) XWiMfci&Zo (8) D. 0 . H o b s o n & P . L . R i t t e n h o u s e : O R N L - 4 7 5 8 ( 1 9 7 2 ) 5 -JA.~R.I- l\I 6181

Reactor Fuc

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E

e

.

ement (1973)

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-Handling rod Thermocouples - ^ V—11 Gas sampling Magnetic valve Pressurizer

XV-13

(?)

AV-5

V-10 I. Regulator V-12 D 6 Water supply

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V-14 Surge tank Compressed air

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Furnace Source Quartz tube Source Controller SCR Steam / HoO generator ' (VWiMMWJWWVWy

Fig. 2 Apparatus for Zircaloy- Steam Reaction

Deflection

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Fig. 12 Photomicrographs of Oxidized Zircaloy-lj Heated in Steam, (reacted zirconium ; 26 mg/cm )

(a); 1000 °C, 33 min, (b); 1050 °C, 16.5 min, (c); 1100 »C, 9.7 min, (d); 1150 °C, 5.5 min, (e); 1200 °C, 3-3 min.

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Fig. 12 Pho七omicrogra.phs of Oxidized Zircaloy-4 Hea七ed in S七日am. (react.ed zirconium 26 mg/cm2)

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Fig. 13 Photomicrographs of Oxidized Zircaloy-i; Heated in Steam, (reacted zirconium ; 35 mg/cm^)

(a); 1000'C, 53 min, (b); 1 050 °C, 32 rain, (c); 11 00 °C, 17 min, (d)j 1150 "C, 9 min, (e); 1200 JC, 6.5 min.

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13 Pho七omicrographs of Oxidized Zircaloy-4 Hea七edin S七e肌 . (reac七ed zirconium 35 mg/cm2)

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