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。炉心中央と炉心中間領域のサンプル中から、クラスト層に相当するプラグ状のサンプルが合計８個回収された。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。溶融凝固層に比べ、金属相の体積割合が大きいことが特徴である。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。溶融凝固層と、上部/周辺クラストの構成成分は類似していた。セラミック相から金属相が析出、あるいは、凝固したセラミック相の粒界や空孔中に金属メルトが侵入、と推定された。上部クラストには、溶融ZrによるUO₂燃料溶解の痕跡が見られた。このことから、事故時の最高温度は>2200Kと推定された。一方で、上部クラスト層と溶融凝固層中には、(U,Zr)O₂やUO₂ペレットの溶融の痕跡が見られた。これらのことから、上部/周辺クラスト層と溶融凝固層は、事故進展時に>2810K（局所的に>3120K）に到達していたと推定された。切り株燃料については、Ag-In-Cdの融点（1073K）やZry被覆管材の再結晶温度（920K）より低いと推定された。

　これらに対して、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。初期に溶融崩落した金属デブリメルトにより、燃料被覆管が溶解されて、冷却水チャンネルが閉塞されたと推定された。表面酸化した燃料被覆管は大部分が金属デブリメルト中に溶解したと推定された。下部クラスト層中には、Zry/SSやZr/Agの共晶溶融の痕跡が観測され、事故時到達温度の下限値は>1200Kと推定された。Zryを主成分とする金属メルトが溶融していたことから、局所的に約2200Kに達していたと推定された。下部クラスト最高温度のベストエスティメートは1300～1500Kと評価された。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。

　クラスト層の厚みはおよそ4.5～11.5cmの範囲であり、上部クラスト層の方が厚い構造だった。上部/周辺クラスト層の平均かさ密度は7.6～9.7g/ccであり、溶融凝固した炉心物質のセラミック相と金属相の混合物に相当していた。下部クラストの平均かさ密度は7.0～7.6g/ccとやや小さい値であり、溶融凝固層に比べてZrリッチと推定された。溶融凝固層の平均かさ密度は5.5.～8.8g/ccだったが、空孔が多く、すきまに金属相が侵入・析出していた。

　上部クラストについては、セラミック相と金属相の混合物で形成されており、主要炉心物質の組成について、セラミック相中での平均Zr濃度は13wt%であり、事故前炉心平均の18～19%より小さい値であった。このことから、Zrが選択的に炉心下部に移行したと推定された。上部クラスト層中の中性子吸収剤成分は事故前の炉心平均より大きい値を観測した。Ni/Mo比の分析により、比較的インコネル由来の物質が多く含まれると推察された。U富化度については、上部クラスト中でのU-235同位体比から、炉心中央（平均U-235同位体濃度：1.98%）と炉心中間（同：2.64%）の燃料が混合した可能性が示唆された。炉心周辺の燃料集合体はほとんど溶融しておらず、炉心外周部でのU-235同位体濃度が維持されていた。FPについては、中揮発性FPのうち、Sb-125とRu-106が金属相側に濃化していることが確認された。高揮発性FPのI-129とCs-137もデブリ中にある程度保持されていることが確認された。

　下部クラスト

　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