RPV下部ヘッドで採取された燃料デブリ試料の分析結果（微細構造）とデブリ移行メカニズムの推定

概要

　TMI-2事故炉の下部プレナムに堆積していた"岩石状"デブリサンプル【図１】（シュラウドとRPV側面内壁の間のダウンカマー付近から採集）の分析と、それに基づくデブリの下部プレナムへの移行・堆積メカニズムの推定が行われている[1]。

　サンプル中には、UとZrの二酸化物：(U,Zr)O₂の固溶相からなっており、わずかに、(Fe,Cr,Ni,Al)の酸化物相が存在していた。

　サンプルの大部分では、丸い形状の二酸化物の結晶（U:Zr比がおよそ一定）と、その粒界に析出相が見られた。これは、デブリメルトが急冷したことを示唆している【図２】。粒界に析出した相は酸化物であり、共晶構造を持っていた【図３】。

　一方で、サンプルの一部にボイドが多く存在する領域があり、ボイドの周辺では、酸化物相の平均組成が、バルク領域と異なっていた。さらに、相分離を示す共晶構造が観測された【図４、５】。これは、ボイド周辺では、デブリメルトが徐冷されたことを示唆している。

　結晶粒界の融点は、その組成から、約1600Kと推定された。このことから、UとZr二酸化物の固溶体が析出した後に、デブリメルト中に存在していたFe,Cr,Ni,Alなどの酸化物が濃化した粒界部分は、鋼材の融点以下まで液相状態を維持していたと推定される。すなわち、凝固途中のデブリは、丸い形状の固相と粒界の液相からなる"濡れた砂"のような状態となっていたと推定される。このため、RPV鋼材との接触性が悪く、RPV鋼材の溶融があまり進まなかったのではないかと推定されている。

成分が比較的均質分布していた領域の分析結果

　サンプルは全体的に岩石状で、表面はごつごつしていた【図１】。

　断面拡大BSE像で見られた結晶構造（丸い結晶粒の集合、わずかな結晶粒界の存在）は、典型的な急冷組織（as cast）を示す【図２】。BSE像では、明るい部分が重元素に対応するため、試料全体にUが均質に分布し、粒界には、Zrなどの軽元素が濃化していることがわかる。

　結晶は単相【図３(a)】で、UO₂とZrO₂の二元系状態図で見られる、固溶体の高温安定相が急冷した状態と整合している【図６】。EPMAで求めたバルク相の平均組成は、35at%-ZrO₂であった。

　結晶粒界に、二相分離の痕跡がある場所が存在していた【図３(b)】。粒界は、バルク相に比べてZrリッチであり、凝固過程で液相にZrO₂が濃化したことが示唆された。これは、状態図を用いたZr濃化のメカニズムで説明できる（後述）。

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  図１　TMI-2下部プレナムから採集された岩石状デブリの外観 [1]

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  図２　図１の断面拡大BSE像 [1]　(#重金属存在部位が明るく見える)

図３　マトリックス相の拡大BSE像 (a) 結晶粒の様子、(b) 結晶粒界の様子 [1]

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ボイドが多い領域の分析結果

　サンプルの一部に、ボイドが多く存在する領域が観測された【図４】。ボイド周辺では、BSE像の色合いがやや濃くなっており、バルク相に比べて、軽元素が濃化し組成が異なっていると推定される【図５】。

　ボイド周辺領域（図５）には、(U,Zr)O₂固溶相（Uリッチ、白色部位）のほかに、(Zr,U)O₂固溶相（Zrリッチ、薄灰色領域、Feの析出相を含む）、Fe-Cr-Ni-Al-O相（Fe,Crリッチ、黒色領域、一部でNi,Al,Siなどを含む）が検出された。これらは、メルトの徐冷過程で析出したと推定される。

　これらの相のうち、(U,Zr)O₂固溶相は、その組成が、上述の均質分布領域の組成と同程度であった。凝固過程では、この相が最も先に析出すると考えられる。(Zr,U)O₂固溶相は、Zrがやや高濃度であり、そこに含有されるFeの酸化度はFeOと推定された。関連する状態図より、この相が二番目に析出すると推定された。最後に析出するのが、Fe-Cr-Ni-Al-O相である。それぞれの主成分となるZrO₂-Fe₃O₄で代表させて考察すると、(Zr,U)O₂固溶相とFe-Cr-Ni-Al-O相は共晶タイプで析出する可能性が推察される。しかし、実際に観察されている微細構造は、これら２つの相の共晶タイプの凝固で形成されるものと異なっている。

　おそらく、均質分布領域（図３）の粒界に見えている微細構造もこれと類似している。

　粒界の平均組成は、54wt%FeO-37wt%Cr₂O₃-7wt%NiO-2wt%SiO₂から48wt%Al₂O₃-27wt%FeO-15wt%Cr₂O₃-10wt%NiOであった。主成分のFeOの融点は<1645Kであり、主成分同士（FeO-Cr₂O₃）の共晶溶融温度は約1625Kである。このことから、黒色相の融解・凝固温度は1673K程度かそれ以下であったと推定される（鋼材融点より低い）。

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  図４　図１のデブリ断面でボイドが多かった部位の拡大BSE像 [1]

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  図５　図４のボイド周辺部位の拡大BSE像 [1]

二酸化物デブリの凝固過程の推定

　成分が均質に分布している領域では、その微細構造と平均組成から、UO₂-ZrO₂疑似二元系状態図（図６）を用いて、凝固過程での粒界へのZr濃化を説明できる。平均濃度が35at%-ZrO₂であったことから、その組成でメルト温度が準静的に低下したとすると、約〇Kで、Liquidus温度に到達する。すると、相対的にU濃度の高い固溶体相が析出する。さらに温度が準静的に低下すると、liquidus/solidusラインに沿って、固相液相ともに少しずつZr濃度が上昇し、約〇Kで液相がすべて消失する。このメカニズムにより、粒界側に液相が残留し、Zrが濃化することになる。

図６　UO₂-ZrO₂疑似二元系状態図（参考文献[2]に基づき編集）

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デブリ移行過程の推定

　下部プレナムに堆積していたデブリは、炉心部で溶融したデブリが短時間で移行してきたものであることはほぼ確実である。デブリサンプルの一部に、比較的低融点と推定される物質が存在していたことから、UとZrの二酸化物メルトの移動ではなく、より低い温度でのデブリ移行メカニズムがあったと推定される。

　UとZrの二酸化物メルトとして移動したとすると、UO₂-ZrO₂疑似二元系状態図の極小融点（図６参照、約2800K）以上の温度が維持されていたと推定される。これに対し、Auger分光分析による結晶粒界の分析からは、この領域が酸化物のメルトであり、その組成から最低1050Kくらいまで液相を維持していた可能性が示唆された。すなわち、メルトの移行過程で、まず、約2800Kで(U,Zr)O2相が析出したが、Fe-Cr-O系を主成分とする酸化物はかなり低い温度まで液体状態で維持された。Fe-Cr-O系の組成に基づいて、関連する状態図を用いて考察すると、この相は1670Kくらいまでは液相だった可能性が示唆される。すなわち、下部プレナムに移行した時点でのデブリは濡れた砂のような状態になっており、RPV壁との伝熱状態が良好でなかった可能性が推定される。この状態では、RPV壁の腐食が抑制されたのではないかと考えられる。

#注：1Fにおいても、下部プレナム移行・堆積時のデブリの酸化度変化が、下部プレナムでのデブリ再溶融状態に影響し、さらに、RPV破損モードに影響したと推定される。（参考３：金属デブリの再溶融（下部プレナムにいったん堆積した後）、参考11：下部プレナム堆積後のデブリ再溶融）

参考文献

[1] R.V. Strain, L.A. Neimark, J.E. Sanecki, Fuel Relocation Mechanisms Based on Microstructures of Debris, Nucl. Technol. 89 (1989) 187-190.