放射光X線断層撮影法とデジタルボリューム相関を用いた福島MCCIの力学的挙動の調査

npj 材料劣化 第 6 巻、記事番号: 55 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

福島事故の浄化作業に向けた主な目標は、損傷した原子炉 1 ～ 3 号機の地下に現在存在する溶融炉心コンクリート相互作用 (MCCI) 生成物の回収です。 MCCI は、核燃料被覆管と隣接する構造コンポーネントの両方で構成される材料の融合体です。 現在知られていない MCCI の物理的および機械的特性を決定することは、適切なタイミングで回収を成功させるために不可欠です。 この論文では、MCCI に似せて製造された材料の機械的特性を実験的に定量化することを目的としています。 小規模の代表的な試験片は、ヘルツ圧痕の段階的荷重を使用して機械的にテストされました。 シンクロトロン X 線コンピューター断層撮影は、サンプルの微細構造と機械的劣化を明らかにするために、いくつかの負荷段階で実施されました。 取得された断層像はデジタルボリューム相関によって分析され、サンプルボリューム内で発生した全フィールド変位と歪みが測定されました。 ヤング率とポアソン比は、この組み合わせた方法論によって決定されました。

2011 年、津波が福島第一原子力発電所 (FDNPP) を飲み込み、冷却材喪失事故が発生し、沸騰水型原子炉 1 ～ 3 号機が部分的に溶融しました。 緊急冷却のために高塩分濃度の海水を原子炉炉心に注入したにもかかわらず、原子炉の温度は 2000 ℃を超えて上昇し、UO2 燃料のペレット、ジルコニウム被覆管、格納容器の鋼鉄やコンクリートなどの部品が溶解しました1。 反応器内の温度が 100 °C 以下で安定した後、混合物は固化してガラス セラミックになり、これは溶融コアとコンクリートの相互作用 (MCCI) として知られています。 現在でも、MCCI が埋め込まれている損傷した原子炉容器を冷却するために、137Cs と 90Sr インベントリの放射性崩壊によって発生する熱から毎日 400 立方メートル近くの水が必要です2。 冷却水と MCCI の間の化学相互作用により、放射性核種が溶解します。 損傷した炉心から漏れた汚染された冷却水は、再処理や修復のために近隣の施設に集められます。 しかし、汚染水タンクからの漏洩に関連する危険性は依然として存在しており、環境への放射性セシウム 137 の漏洩事象は定期的に報告されています2。 したがって、高放射性廃棄物を取り出して安全に保管することにより、プラントを完全に廃止することが重要です。 FDNPP の完全な廃炉には数十年かかると予想されており、浄化プロセス全体に伴う環境への危険性についての懸念が高まっています3。

損傷した FDNPP 原子炉容器内の極めて高線量環境では、埋め込まれた MCCI を回収するための最先端技術のロボット装置の設計と製造が必要です。 安全かつ効果的な廃止措置は、リフトアウト作業中の材料の完全性の破壊がほとんど無視できる程度に直接関係しています。 この目標が満たされない可能性がある場合、高放射性物質が周囲環境に拡散し、深刻な放射線による健康被害が生じる可能性があります。 したがって、炉心内に埋め込まれた物質の物理的、化学的、そして主に機械的特性を正確に評価することが、回収を成功させるために不可欠である。 損傷した原子炉内に存在する MCCI と海水および冷却水との長期的な相互作用の影響に焦点を当てることが最も重要です。 最初に形成された材料の化学的変化は、その機械的挙動に大きな影響を与える可能性があります。 チェルノブイリの「溶岩」の老化中の溶解メカニズムと新しい相の形成を論じた一連の研究 4,5,6 は、福島の MCCI 組成、したがってその分解挙動も時間依存性であることを示している可能性があります。

放射能が高いため、これらの材料に対して標準的な機械試験を実施し、回収ロボットシステムの設計に必要な特性を抽出することはほぼ不可能です。 材料の微細構造はかなり不均一であるため、複雑さのレベルは上がります。