原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

１．研究開発の背景とねらい

　2次冷却系に超臨界炭酸ガスを用いるナトリウム冷却型高速増殖炉(SCCO2-FBR)は、従来の水冷却型高速増殖炉に対し、ナトリウムとの反応性の低さと超臨界炭酸ガスタービンの持つ高い熱効率から安全性・経済性に優れた原子炉となる可能性を有している。しかし、熱交換器運転温度の上昇に伴う熱交換器細管から炭酸ガス冷却系へのトリチウム透過量の増加と、透過したトリチウムと炭酸ガスとの自己放射化学反応によるトリチウム-炭素(有機)化合物の生成の可能性がある。本事業では、これらを防止するために①熱交換器からのトリチウム透過の抑制と、②透過したトリチウムの炭酸ガスからの除去による超臨界炭酸ガス冷却材中トリチウム濃度制御技術の開発を目的とした研究開発を実施している。透過抑制に関しては、トリチウム透過防止膜の超臨界炭酸ガス環境下での適用性確証試験を行うとともに、トリチウム除去に関しては、炭酸ガス中トリチウム存在化学形態評価による除去法最適化の検討を実施している。

２．研究開発成果

２．１ 透過防止膜の適用性に関する研究
　２．１．１ 透過防止膜-超臨界炭酸ガス共存性試験
　日本原子力研究開発機構で開発したトリチウム透過防止膜(二酸化珪素、酸化クロムを主成分とするガラス系皮膜)の超臨界炭酸ガス環境下における物理的・化学的健全性を確証するために、超臨界炭酸ガス浸積装置を製作した。図１に本装置の概念図を示す。製作した装置が、SCCO2-FBRの熱交換器条件である773K以上、12.5MPa以上で長時間安定運転できることを確認した。本装置を用いて、共存性試験用試験体(熱交換器細管の候補材である耐熱鋼材 (火SUSF410J3) (12Cr鋼)の円板状試験体(直径10mm、厚さ2mm)の片側表面に50μm±10μmの透過防止膜を施工したもの)を約773K、12.5MPaの超臨界炭酸ガス環境で短期間(100時間)の浸積を実施した。超臨界炭酸ガス浸積前後の試験体をSEM/EPMA、XPS、XRDを用いて分析し、浸積による透過防止膜の膜厚変化(SEM)、表面での化学反応物質の生成(XPS、SEM/EPMA)、透過防止膜の構造の変化(XRD)の有無を調べた。その結果、膜厚、結晶構造、表面の化学結合状態等に有意な変化は認められず、短期間ではあるものの透過防止膜の超臨界炭酸ガス環境中での健全性は確認できた。

　２．１．２ 重水素透過抑制性能確証試験
　超臨界炭酸ガスに浸積された透過防止膜の透過抑制機能を確認するためのバックグランドデータ取得のために、透過防止膜非施工の12Cr鋼試験体に対する重水素透過試験を実施した。重水素透過実験に先立ち、重水素透過試験装置を製作した。図2に製作した重水素透過試験装置の概念図を示す。本装置は真空法による重水素透過を行うものである。ここで真空法は、試験体内側に重水素を充填し、試験体外側を真空排気することにより外側に透過してきた重水素を圧力計及び質量分析計で測定する方法で、高感度の重水素透過が測定可能である。また、製作した透過試験用試験体は、12Cr鋼管状試験体(直径10mm、長さ300mm、肉厚1mm)の単管の片面を同一母材で端栓、片側に継ぎ手加工したものである。本装置を用いて透過防止膜を施工していない試験体に対する重水素透過試験を最大温度約830K、最大重水素圧力約0.1MPaの条件下で実施した。その結果、透過防止膜施工試験体の重水素透過試験における透過抑制効果の標準データとなる12Cr鋼中の重水素の透過係数と拡散係数を得た。図3及び4に得られた透過速度(定常状態)と拡散係数の試験体温度依存性を各々示す。12Cr鋼中の重水素の透過速度は、従来の高速炉材料であるSS316と同程度であり、同じフェライト/マルテンサイト鋼であるF82Hよりも約１桁小さいものであった。一方、拡散係数は、SS316より約1桁大きいことが判明した。これらの結果は、12Cr鋼を使用したSCCO2-FBR熱交換器(運転温度820K)からのトリチウム透過は、SS316を使用した従来の水冷却型FBR熱交換器(運転温度約600K)でのトリチウム透過より約1桁増加することが示唆される。この結果は、12Cr鋼熱交換器にはトリチウム透過防止対策を施すことが望ましいことを示唆している。 ２．２ トリチウム除去法の検討(炭酸ガス中トリチウム存在化学形態評価)
　炭酸ガス系内に混入したトリチウムを効率的に除去するためには、高温・高圧下の炭酸ガス中に透過したトリチウムの存在化学形を評価しておく必要がある。このため、トリチウム-炭酸ガスによる自己放射化学反応を測定する実験装置を製作した。装置は、573Kまでのトリチウム-炭酸ガスの自己放射化学反応実験が可能なステンレス製反応セルを製作し、これを原子力機構が保有する質量分析計等に組み込んだ構成とした。本装置を用い、自己放射化学反応のバックグランドデータとなる軽水素(H₂) -炭酸ガス(CO₂)の反応実験を実施した。
　実験は混合比1:1のH₂-CO₂ (圧力最大0.1MPa)を573Kで約2週間反応させた。ガス分析は、セル内のガスを微量採取し、質量分析計により測定した。この結果、軽水素と炭酸ガスは本実験条件ではほとんど化学反応を起こさないことが確認できた。本結果は、平成19年度に実施予定のトリチウム-炭酸ガス化学反応試験(ホット試験)のバックグランドデータとして使用される。

３．今後の展望

　透過防止膜の適用性に関する研究については、数ヶ月にわたる長期間の超臨界炭酸ガス浸積後の透過防止膜の物理・化学的健全性の確認及び透過抑制機能の維持に関する研究を継続する。
　一方、トリチウム除去法の検討(炭酸ガス中トリチウム存在化学形態評価)に関しては、トリチウムと炭酸ガスの自己放射化学反応実験により、炭酸ガス共存下でのトリチウムの存在化学形を評価し、炭酸ガスからの有効なトリチウム除去法を考察する。