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）。
![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]](/wiki/nsfr_img_auth.php/thumb/b/b2/%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA%E5%A4%96%E8%A6%B3.png/350px-%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA%E5%A4%96%E8%A6%B3.png)
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]
![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)](/wiki/nsfr_img_auth.php/thumb/8/87/%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA%E6%8B%A1%E5%A4%A7BSE.png/300px-%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA%E6%8B%A1%E5%A4%A7BSE.png)
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]](/wiki/index.php?title=%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA%E5%A4%96%E8%A6%B3.png)
![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)](/wiki/index.php?title=%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA%E6%8B%A1%E5%A4%A7BSE.png)
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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・凝固温度は約1600Kであったと推定される（鋼材融点より低い）。
![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]](/wiki/nsfr_img_auth.php/thumb/4/4d/%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA_%E5%B1%80%E6%89%80%E5%85%B1%E6%99%B6.png/339px-%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA_%E5%B1%80%E6%89%80%E5%85%B1%E6%99%B6.png)
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]
![図５ 図４のボイド周辺部位の拡大BSE像 [1]](/wiki/nsfr_img_auth.php/thumb/5/50/%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA_%E5%B1%80%E6%89%80%E5%85%B1%E6%99%B6_%E6%8B%A1%E5%A4%A7.png/277px-%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA_%E5%B1%80%E6%89%80%E5%85%B1%E6%99%B6_%E6%8B%A1%E5%A4%A7.png)
図５ 図４のボイド周辺部位の拡大BSE像 [1]
![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]](/wiki/index.php?title=%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA_%E5%B1%80%E6%89%80%E5%85%B1%E6%99%B6.png)
![図５ 図４のボイド周辺部位の拡大BSE像 [1]](/wiki/index.php?title=%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:%E4%B8%8B%E9%83%A8%E3%83%97%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%A0%E3%83%87%E3%83%96%E3%83%AA_%E5%B1%80%E6%89%80%E5%85%B1%E6%99%B6_%E6%8B%A1%E5%A4%A7.png)
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挿入）
デブリ移行過程の推定
サンプルの一部に
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.