コアボーリングサンプルの分析データ

図１　コアボーリング調査位置 [1]

　ここでは、コアボーリング調査[1]で採集されたサンプルの分析結果[2]をまとめる。コアボーリング調査は、Accident Evaluation Program（AEP）の一環として、炉心下部の成層化状態を調査するために提案され[3]、1986年７月から８月にかけて実施された。鉱山探査用の市販装置に改良がくわえられ、コアボーリング装置が設計・製作された[4]。炉心中央部２か所、炉心中間領域２か所、炉心外周部６か所でボーリングが行われ、約6.3cm径、全長約2mのボーリングサンプルが９個採集された（図１）[2]。K6位置では、原因不明だが、サンプルが採集できなかった。10か所の開口部にはビデオカメラが挿入され、成層化状態の調査が行われた[1]。さらに、10か所のボーリング孔のうち、３か所ではLCSAを貫通して下部プレナムに到達し、下部プレナム堆積デブリのサンプリングと調査が行われた[1]。回収されたボーリングサンプルは、全長にわたってモザイク写真撮影、かさ密度測定、重量測定、が行われ、微細組織観察や化学・放射化学分析用のサンプルが分取された。全サンプル重量は130.5kgであり、うち、形状を維持した燃料棒が115.8kg、溶融凝固したデブリ層が14.7kgであった。溶融凝固したデブリ層は、砕けやすく、ボーリング作業中に約80%が冷却水中に流出した。

　ボーリング調査により、溶融凝固層と切り株燃料集合体の成層化状態が解明された。溶融凝固層は、炉心中央でより下部まで広がる漏斗状に堆積し、その周囲をクラスト層が囲んでいた。また、下部クラスト層の下には、ほとんど損傷が見られない燃料棒（切り株燃料）が残留していた（残留長は、炉心中央で約60cm、炉心外周で約120cm）[1]。切り株燃料の被覆管はほとんど酸化しておらず、延性が維持されていた。炉心周辺部の切り株燃料の上部でのみ、中性子吸収剤（Ag-In-Cd）の溶融の痕跡が見られた。

　図２(a)～(c)に、炉心中央領域（G8,K9,D8）、炉心中間領域（G12,O7）、炉心外周領域（D4,N5,N12,O9）で採集されたボーリングサンプルの全体像を示す[2]。炉心中央では、溶融凝固層の上下が上下クラスト層によって囲まれていることが確認できる。炉心中間領域では、溶融凝固層がほとんど見られず、周辺クラスト層が確認できる。炉心外周領域からは、ほぼ無傷の燃料棒が回収された。上下周辺クラスト、溶融凝固層、切り株燃料棒から、詳細分析用のサンプルが採集された。表１には、これらのうち、日本に搬入されたサンプルの情報をまとめて示す[2]。

　図３(a)～(c)に、炉心中央、炉心中間、炉心外周、から、それぞれ回収されたデブリ粒子の拡大写真、および、切り株燃料棒の破断面の拡大写真を示す[2]。上部クラスト層部位では、セラミック相のバルクから金属相が析出している様子が確認できる。溶融凝固層部位では、セラミックデブリの比較的大きな粒子が観察される。下部クラストでは、燃料被覆管が失われているが、燃料ペレットの形状が残留しているデブリ粒子が検出された。切り株燃料棒の上端では、燃料被覆管が破損し、燃料ペレットの破砕物が存在していた。ほとんどのサンプルで、様々なサイズの空孔が多く確認された。

参考：コアボーリング調査

参考：デブリ取り出しツール

• 

  図２(a)　炉心中央から採集されたボーリングサンプルの外観 [2]

• 

  図２(b)　炉心中間から採集されたボーリングサンプルの外観 [2]

• 

  図２(c)　炉心外周から採集されたボーリングサンプルの外観 [2]

• 

  表１　日本に搬入されたTMI-2デブリサンプル一覧 [2]

図３(a)

図３(b)

図３(c)

図４(a)

図４(b)

図５(a)

図５(b)

図４(c)

図５(c)

図５(d)

図６(a)

図６(b)

図６(c)

主な分析結果

炉心中央で溶融凝固層が下に拡大、切り株燃料が短い。

切り株燃料に損傷（しかし、ボーリング時の損傷）

切り株燃料は高温に曝されていないと推定（炉心中央で60-外周で120cm長さで残留）

燃料棒は酸化しておらず、延性を維持。

周辺部ボーリングサンプルの切り株燃料上部でのみ、Ag-In-Cdが溶融の痕跡（他は燃料棒形状を維持している部分の損傷は軽微、高温に曝されていない）

炉心中央に溶融凝固層と上下クラスト層、周辺クラスト層

５本のボーリングサンプル中に8個のクラストプラグ

上部クラストは酸化物と金属の溶融凝固物（酸化物溶融凝固相中に金属析出物、金属の割合が相対的に大きい）

上部クラスト、周辺クラストと溶融凝固層の構成成分は類似（金属と酸化物の溶融凝固物の混合）

金属析出物（Fe-Cr-Ni、Ag-In）、金属メルトのセラミック中への流入と推定（上部クラストへ金属メルトが流入、）、溶融凝固は炉心のあちこちで非均質に発生したと推定

上部クラスト中に、溶融Zryによる燃料溶融の痕跡（>2200Kと推定）

一部にU-Zr-O2の溶融の痕跡（>2810K）

溶融凝固層中ではUO2溶融の痕跡（>3120K）

下部クラストは様相が異なり、金属メルトが冷却材チャンネルを閉塞、酸化被覆管は金属メルト中に溶融、Zry/SSの共晶溶融、Zr/Agの共晶溶融など（>1400K）最低温度は>1200K

Zryの溶融の痕跡から、下部クラストは局所的に2200Kに近い温度と推定

ベストエスティメートは、平均で1300~1500K

クラスト層の厚さは4.5~11.5cm（上部クラストが比較的厚い）

比較的厚さが均一なので、内側で溶融凝固層が保持されていたと推定。

上部クラスト、周辺クラストの、平均かさ密度は、7.6~9.7g/cc（溶融凝固金属と溶融凝固酸化物の混合物に相当）

下部クラストの平均かさ密度は、7.0~7.6g/cc（Zrが主成分と推定）

溶融凝固層の平均かさ密度は、5.5~8.8g/cc（多孔質な酸化物溶融凝固層のすきまに金属相が析出に相当）

切り株燃料部位ではZry酸化はあまりおきていない。延性を維持。

Ag-In-Cdの溶融温度（1073K）や、Zryの再結晶化温度より低い（<920K）

残留長さは60~120cm（炉心中央の60cmは最低水位に相当）

溶融凝固層の形は漏斗型、周辺部では温度が相対的に低いと推定

FPについて、上部クラストや周辺クラストは酸化物マトリックスと、一部金属相（構造材+Zr）

上部クラスト酸化物相中のZr濃度は平均13wt%、炉心平均の18~19wt%より低く、Zrが先行的に下に移行と示唆

制御棒成分の内、Agは上部クラスト周辺クラストに約3wt%（炉心平均1.9wt%より大きい）、InとCdも炉心平均より高濃度で検出

Ni/Mo比により、上部クラストと周辺クラストにはインコネル成分が多く含まれることが示唆

上部クラスト中のU富化度、1.98%燃料と2.64%燃料の混合を示唆（炉心中央と中間の燃料）

低揮発FPは保持

周辺燃料集合体はあまり溶融していない

Sr-90の分析データからは、酸化物相と金属相であまり大きな違いはない。

金属相中にSb-125とRu-106が濃化

I-129とCs-137について、金属相、酸化物相中にある程度保持。

酸化物相中では5%（炉心インベントリのUに対する比として）

金属相中では35%（同上）、金属相中のU濃度が低いためのみかけの結果

---

下部クラストは、金属溶融凝固物の中にペレットスタック

ペレットスタックのクラック中に金属溶融物の侵入（ネットワーク状）

Zry中の副成分のSnは、下部クラストの金属相中には少ない（酸化して別相に移動？）

下部クラスト中のFeは、炉心平均11wt%に近いが、金属相に限ると34wt%に到達

これに対し、Niは5.5wt%、Crは1.6wt%で相対的に低い

Zrの平均濃度（金属相中）は30wt%

下部クラストにMoが多く含まれ、下部クラスト金属相の由来のひとつがインコネルと示唆

低揮発性FPの下部クラスト（セラミック、金属）への保持は、それぞれ130wt%、134wt%

下部クラストに崩落した燃料は、相対的に高燃焼度部分だったと示唆

中揮発性のSr-90は、主に酸化物相中に保持、金属相中には少ない。

Sb-125とRu-106は、特に金属相への濃化見られず

（#上部クラストとの違い）

---

溶融凝固層デブリについて、かなり均質

デブリ粒子は、セラミックあるいは金属であり、一部に混合物を含む

Agは検出濃度がばらつくが、平均2.9wt%で検出

Inも同様で平均0.9wt%で検出

Cdは一部の粒子デブリでのみ検出（金属相のみ）

金属成分は下部クラストに移行、溶融凝固相中の金属相に残留

Ru-106,Sb-125は金属相中に濃化

揮発性FPは若干残留

参考文献

[1] E.L. Tolman et al., TMI-2 Core Bore Acquisition Summary Report, EGG-TMI-7385, rev. 1, 1987.

[2] D.W. Akers et al., TMI-2 Core Bore Examinations, GEND-INF-092, vol .1 and vol .2, 1990.

[3] E.L. Tolman et al., TMI-2 Accident Evaluation Program, EGG-TMI-7048, 1986.

[4] K.M. Croft et al., TMI-2 Core Boring Machine, EGG-M-08986, 1986.