JPH02280042A - 炉内材料モニター装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、ｙＸ子炉内で使用される構造用材料の劣化状
態を経年的にモニターする装置に係り、特に、高温高放
射能環境下における応力腐食割れによるき裂進展速度を
モニターし、炉内構造物の破壊を予知するためのモニタ
ー装置に関する。

［従来の技術］ 従来の材料のき裂進展モニターは、材料試験用として５
電位差法などがあり、「メンテナンス」（林奏琴１機器
配管の表面欠陥検査について、Ｐ３８〜５０　（１９８
８））の例のように機器部材や配管等に発生した表面欠
陥の形状を精度よく検出できるポータプル型電位差法欠
陥検査装置が開発されている。これらの装置は材料の破
壊ν性試験に用いられるＣＴ型試験片に適用した例があ
る。

また、米国では、「マテリアルサイエンスアンドエンジ
ニアリングＪ　　（Ａ１０３　（１９８８）Ｐ１６７−
８４１）で原子炉の再循環配管系および原子炉圧力容器
内の炉心部にクラック　ダメージモニターを設け、Ｈ１
’ｌ定した例が示されている。Ｈ１’ｌ定方法は、マル
チブルーポテンシャル・プローブ・テクニークを用いた
もので、試料部は、ウェッジローデツド−ダブル−カン
チレバー−ビーム　試験片を炉心部に入れ、オンライン
で炉外の解析装置に接続してモニターできるものとなっ
ている。

この方式は、静荷重下におけるき裂進展の溶存酸素濃度
、水質の純度、中性子やγ線照射効果をモニターするこ
とを可能としている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の従来技術は、静荷重下でのみ、き裂進展速度をモ
ニターすることは可能であったが、き裂の進展と共に応
力が緩和されることについては、特に配慮されておらず
、実機の条件とは異なり、長期間にわたる材料のモニタ
リングには不適であった６ 本発明は、炉内構造材料に対する負荷（内応力または外
芯力）を、原子炉運転時間に比例して漸増できること、
および定荷重下での長期間にわたるモニタリングが可能
で、機械のき裂進展速度を計測することができる炉内材
料のモニター装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明に係る炉内材料モニタ
ー装置の構成は、原子炉内で使用している構造材料の材
質の経年劣化の状態を、直流電位差法により、計測なら
びに監視することができる炉内材料モニター装置におい
て、該構造材料からなる供試体に、原子炉運転時間に比
例して漸増する応力を炉内で負荷するようにして、供試
体表面に発生するき裂の進展速度を、炉外で経年的に計
測ならびに監視することができるようにしたことである
。

［作用］ 炉内構造物の長期健全性を監視するためには、直接炉内
構造物のき裂などの欠陥の有無を調へることが望ましい
が、運転中に原子炉内を直接点検することは困難である
。そこで、炉内構造材料と同一の材料をモニター用材料
として、炉心部に設置することが考えられる。また、長
期間にわたる材料の劣化状態を短期間内に予知する手段
としで、加速的に材料劣化をさせる方法として、応力負
荷を行うことができる。

上記目的を達成するために、試料部の荷重の負荷方式を
運転時間に応じて、歪が増加する機構および運転時間に
応じて、歪が一定な荷重負荷方式を採用し、炉内構造材
料の経年劣化のモニターを可能としたものである。

歪を漸増するための第１の方法は、ＡＱ、０３と８４Ｃ
の混合粉末をペレット状に焼結した酸化物を応力源とす
る方式であり、炉心部で運転中に発生する中性子により
、ＡＱ、０３およびＢ４Ｃの結晶間に空孔が生じ１体積
膨張することまた、Ｂ、Ｃが中性子照射をうけＨａガス
へ変換することを利用し、ペレットを充填するための密
封した供試体容器を設け、生成ガス分圧の増加により、
容器を膨張させることである。

また、歪を一定にするには、中性子照射量を受け、ペレ
ットの照射スウェリングが飽和した時期を利用すること
や、ペレット内のＢ４Ｃの添加量を調整して、発生ガス
量を加減することにより、任意の荷重レベルを設定する
ことができる。Ｂ、Ｃの添加量は、０．１〜５．０ｗｔ
％が適切・である。

また、焼結ペレット以外の方法では、荷重負荷のための
方法として、膨張物質とじて、容器内に異なる材料２例
えば、ステンレス鋼と炭素鋼などを積層充填し、容器内
に外部から水分、例えば炉水を侵入させ、積層部に隙間
腐食を生じせしめ、金属を酸化物に変かさせると体積膨
張することを利用した構成からなる試料部を使用するこ
とになり、上記、目的を達成することができる。

また、荷重の負荷方式として、ばね荷重により、応力負
荷した試料とすることにより、試料部に一定荷重を与え
つづける状態で、き裂進展をモニターすることが可能と
なった。

さらに、試料部とする供試体自体をＣ字型などに曲げて
、応力負荷することにより、静荷重を負荷することがで
きる。

以上に示した試料への荷重負荷を炉心部に設置するホル
ダーとし、試料部および監視部を炉心部に設置する中性
子計装管に組み込むことにより、試料部を炉内に安全に
設置可能となる。

また、試料部および監視部を内包したホルダーを原子炉
の圧力容器を貫通させ計測用電線を圧力容器の外部へ取
り出す構造により、原子炉外の操作盤にて、測定監視で
きる。

［実施例］ 以下本発明に係る実施例を第１図〜第７図を用いて説明
する。

第１図は、第１実施例のスエリングチューブ型の内応力
負荷方式を示す千面略示図である。

第１図の構成は、１は、炉内構造材料から採取した供試
体容器、２　（２ａ〜２ｆ）は、ＡＭ、Ｏ。

とＢ４Ｃの混合物を焼結したペレット、３は、端子、４
および７は、リード線、５（５ａ〜５ｆ）は、電位差計
、６は、直流電源、８　（８ａ、８ｂ）は、供試体容器
に電流を供給する給電端子である。

以下に動作について説明する。

炉内構造材料を、ステンレス鋼とし、これから供試体容
器１を製作し、その中にＡＱ、Ｏ，と８４Ｃの混合物を
焼結してペレット２８〜２ｆにしたものを封入する。ペ
レットはＢ４Ｃの添加量をコントロールした異なるペレ
ットを入れである。′まだ、ペレットの外径と供試体容
器の内径差を設定することにより、ペレットのスウェリ
ングにより、供試体容器内壁に接触するまでの時間を任
意に設定できる。供試体容器１の両端には、直流電流を
供給するための給電端子８ａ、８ｂが取り付けられてい
る。給電端子の取り付けはスポット溶接あるいは可動式
の接触端子でもよい。直流電源６からの電流はリード線
７を介して電流極性切換装置により間欠的に切換えられ
て、供試体に供給される。

これは測定端子と被測定部材の材質が異なる場合に端子
と部材との間に発生する熱起電力や電位差計のドリフト
を取り除くためである。部材の片側に測定端子が等間隔
で多数取付けである。測定端子は少なくとも５組以上が
望ましい、測定端子の間隔は短い方が感度がよいが、精
度が劣る傾向となる。

電位差Ｖは各測定端子をリード線４を介して。

マルチプレクサに接続して、ここで測定する端子を切り
換えて、微小電位差計が測定する。そしてＡ／Ｄ変換さ
れてインターフェースを介して、コンピュータに転送さ
れ、多数の電位差の比較演算によりき裂発生位置とき裂
長さが求められ、プリンタに出力される。

本第１実施例では、供試体容器（炉内構造材）内に充填
されたＡＱ、Ｏ，、Ｂ、Ｃの混合粉末ペレットが、原子
炉内での体積膨張およびＨ２ガスの発生により、容器内
の内部応力を漸増させる作用を利用したものである。

第２図は、第２実施例の積層板腐食型の内応力負荷方式
を示す平面略示図である。

第２図の構成は、１０　（１０ａ、１０ｂ）は、耐食性
材料、例えばオーステナイト例ステンレス鋼、１１（ｌ
ｌａ、ｌｌｂ、ｌｌｃ、１１ｄ）は、腐食性材料、例え
ば積層した炭素鋼、１２は、炉内構造材料から採取した
供試体容器、９は、貫通孔であり、その他の符号は、第
１実施例と同一番号で示しである。

第２実施例の動作は、炉内構造材料から採取した供試体
容器１２の中に、耐食性材料１０ａ、１０ｂ、例えばオ
ーステナイト系ステンレ・ス鋼を使用し、腐食性のやや
大きい材料１１ａ〜１１ｂ。

例えば炭素孔で積層する。供試体容器１２に外部との貫
通孔９が設けられており、ここから炉水が。

材料１０ａ、１０ｂおよびｌｌａ〜ｌｌｄのすきまに侵
入し、これらの間ですきま腐食が生成し、材料１０ａ、
１０ｂと供試体容器が密着するとともに、すきま部の酸
化物の生成により体積膨張し、供試体容器１２に内部か
ら、応力が加わる。応力の集中をたちらすために、予め
材料１０ａ、１０ｂは凸形面にて供試体容器１２に接す
るようにしておく。

本実施例によれば、すきま部の腐食量の増加により、供
試体容器に応力が漸増的に負荷されるので、き裂の発生
ならびに進展を加速的に再現できることにより、環境の
材料に及ぼす影響をモニターできる。

第３図は、第３実施例のばね荷重型の内部応力負荷方式
の平面略示図である。

第３図の構成は、１３は、炉内構造材料から採取した供
試体容器、１５は、供試体容器１３の内部の一端に集中
応力を伝達させるための凸状システム、１４は、この凸
状システムに内部応力を負荷するためのばね機構、１６
は、内部に封入したＨｅガスである。その他の符号は、
第１実施例と同一番号で示している。

第３実施例の動作は、炉内構造材料から採取した供試体
容器１３の内部に炉内温度の変化に応じて内部応力を負
荷する機構としてのばね１４（例えばインコネルＸ−７
５０等の高強度ばね材）およびばね応力を、供試体容器
の一端に、集中的に伝達することができる凸状システム
１５、ならびに内部の熱伝導性をよくするためのＨｅガ
ス１６を封入しである。

本発明の実施例によれば、ばね定数より、応力の設定が
任意にできるので、ばね長さを変えることにより、各応
力レベルのモニターが可能となる。

第４図ｔよ、第４実施例の、０字リング型の外応力負荷
方式の平面略示図である。

第４図の構成は、１８は、炉内構造材料から採取した円
柱状の供試体を、円孤状のＣ字°づング型状に曲げたも
の、１９は、供試体１８の円弧の直径方向に貫通したボ
ルト、２０は、同上を締付けられるためのナツト、２１
は、同上ボルトの廻し止め用溶接部である。その他の符
号は、第１実施例と同一番号で示しである。

第４実施例の動作は、Ｃ字すング型状供試体１８の円弧
の直径方向に貫通したボルト１９を、ナツト２０で締付
けて、一定の外応力を負荷する。

この際、熱膨張によりナツト２０がゆるまぬように、ボ
ルト溶接止め２１を施こす。

炉内温度の上昇にしたがって、供試体１８は、膨張する
ので、検出端子近傍に応力が負荷され。

き裂が発生し、進展してゆく状態をモニターすることが
できる。

第５図は、第５実施例の、おもり荷重による外応力負荷
方式の平面略示図である。

第５図の構成は、２２は、炉内構造材料から採取したダ
ンベル型引張り試験片（供試体）、２３は、外力を負荷
するためのおもり、２５は、供試体２２およびおもり２
３を保持収容するための保持フレーム、２４ａおよび２
４ｂは、保持フレーム２５の貫通孔である。その他の符
号は、第１実施例と同一番号で示しである。

第５実施例の動作は、供試体２２は、ダンベル型の引張
り試験片であり保持フレーム２５の中に封入されている
。荷重は、比重の大きいおもり２３により負荷している
。

フレーム２５は容器状になっており、底部に２４ｂの孔
を、上部に２４ａの孔を設け、冷却水の流入、流出を行
なえるようになっているとともに、試料部２２が破断し
たとき、試料部２２やおもり２３が原子炉内に飛散して
ルースバーツにならぬように考慮されている。

本実施例によれば、おもりによる荷重負荷であり応力レ
ベルが精度よく設定できること、および長時間の浸漬に
おいても、荷重の緩和がないので、実機の部材と同等の
状態が再現できる効果がある。

第６図は、第６実施例の、原子炉圧力容器中に設置した
炉心材料モニター用ホルダー説明図である。第６図の構
成は、４０は、原子炉圧力容器、４１は、計装管ハウジ
ング、４２は、信号ケーブル、４３は、計装用ケーブル
のペネトレーションである。その他の符号は、第５実施
例と同一番号で示しである。

第６実施例の動作について説明する。

原子炉圧力容器４０の中に設置したホルダー３２は、上
部格子板３１と炉心支持板３０の間に位置する場所に試
料部３４ａ〜３４ｄが設けられている。この位置から、
原子炉圧力容器４０の外へリード、ＩＩ（信号ケーブル
）４２をホルダー３２の内を通して、外部へ取り出し、
電位差計および直流電源に接続する。

原子炉圧力容器４０とのノズル部は、計装管ハウジング
４１と溶接で接続されており、ホルダー３２はハウジン
グ４１の中に収納される。ハウジング４１とホルダーか
らのリード＃Ｉ４２は、計装用ケーブルペネトレーショ
ン４３を介して外部へ取り出される。

本実施例によれば、炉内の供試体端子部からの電気信号
をリード線を介して、炉外で測定できるので、原子炉出
力運転中であっても、炉内の高温高照射環境下で材料特
性の変化をモニターすることができる効果である。

第７図は、ＢＷＲ型炉心と、これに装荷した上記炉心材
料モニター用ホルダーの設定位置の１例示子面図である
。すなわち、ホルダーの設置位置は、第７図で示すよう
なＬＰＲＭ　（出力領域検出器）、ＩＲＭ（中間領域検
出器）、またはＳＲＭ（中性子源領域検出器）の中性子
計装管の位置または、類似位置に設ける。本発明の実施
例によれば、炉心部であり、炉心周辺部より高照射量条
件の環境下でモニターできるので、炉心支持板や上部格
子板よりも加速的に材料劣化をモニタリングでき、材料
の事前予知を可能にする効果がある。

炉心材料モニター用ホルダーに挿入する供試体は、本発
明の実施例として説明した第１〜第５実施例における試
料部は、いずれもその対象として使用することができる
。

なお、本発明の炉心材料モニター装置は、他の型式の原
子炉、ＰＷＲ，ＡＴＲ，ＦＩ３Ｒダはじめ核融合炉にも
応用できる。さらに、遠隔技術を使う宇宙衛生用にも応
用が可能である。

［発明の効果］ 本発明によれば、つぎのような効果がある。

（１）原子炉プラント内の構造材料は、運転経過に従っ
て漸増的に熱応力を受けて、その材質劣化が進展する。

この状態を経年的に計測、監視することができる。

（２）炉内構造材料の経年変化が、加速されて計測でき
、材料の破壊を予知することができる。

（３）炉心材料については、炉心材料モニター用ホルダ
ーの使用により、その材質劣化は、より精度よく、迅速
に、継続的に計測できる。

（４）炉心材料モニター用ホルダーにより、稼動中の原
子炉内の材料劣化を、継続的に、オンラインで監視でき
るので、原子炉の運転管理をより安全に行なうことがで
きる。さらに、遠隔操作技術を宇宙開発などに応用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例のスエリングチューブ型
の内応力負荷方式を示す平面略示図、第２図は、第２実
施例の積層板腐食型の内応力負荷方式を示す平面略示図
、第３図は、第３実施例のばね荷重型の内応力負荷方式
を示す平面略示図、第４図は、第４実施例の０字リング
型の外応力負荷方式の平面略示図、第５図は、第５実施
例のおもり荷重による外応力方式の平面略示図、第６図
は、第６実施例の原子炉圧力容器中に設置した炉心材料
モニター用ホルダー説明図、第７図は、ＢＷＲ型炉心と
、これに装荷した炉心材料モニター用ホルダーの設定位
置の１例示率面図である。 １・・・供試体容器、２・・・ＡＱ、Ｏ，／Ｂ、Ｃベレ
ット、３・・・端子、４，７・・・リード線、５・・・
電位差計、６・・・直流電源、８ａ、８ｂ・・・給電端
子、９・・・貫通孔、１０ａ、１０ｂ・＝耐食性材料、
１１　ａ　〜１１　ｄ　−腐食性材料、１４・・・ばね
、１５・・・凸状システム、１６・・・Ｈｅガス、１９
・・・ボルト、２０・・・ナツト、２３・・・おもり、
２５・・・保持フレーム、３０・・・炉心支持板、３１
・・・上部格子板、３２・・・炉心材料モニ、ター用ホ
ルダー、３４・・・供試体、４０・・・原子炉圧力容器
、４１・・・計装管ハウジング、４３・・・ケーブルペ
ネトレーション。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子炉内で使用している構造材料の材質の経年劣化
   の状態を、直流電位差法により、計測ならびに監視する
   ことができる炉内材料モニター装置において、該構造材
   料からなる供試体に、原子炉運転時間に比例して漸増す
   る応力を、炉内で負荷するようにして、供試体表面に発
   生するき裂の成長速度を、炉外で、経年的に計測ならび
   に監視することができるようにしたことを特徴とする炉
   内材料モニター装置。 ２、炉内構造材料からなる密封容器状の供試体に、熱膨
   張性物質を密封し、熱応力により容器外表面に生じたき
   裂を、測定することができることを特徴とする請求項１
   記載の炉内材料モニター装置。 ３、容器内に充填する熱膨張性物質が、Ａｌ＿２Ｏ＿３
   とＢ＿４Ｃの混合物からなるペレットであることを特徴
   とする請求項２記載の炉内材料モニター装置。 ４、炉内構造材料からなり、微細な貫通孔を有する管状
   供試体内に酸化され易い複数の金属簿板を積層して充填
   し、貫通孔から炉水が侵入し、金属簿板の酸化による体
   積膨張により生じたき裂を、測定することができること
   を特徴とする請求項１記載の炉内材料モニター装置。 ５、炉内構造材料からなる密封状容器の局部に、集中応
   力を負荷し、き裂の発生を測定することができることを
   特徴とする請求項１記載の炉内材料モニター装置。 ６、炉内構造材料からなる供試体をＣ字型リング状に曲
   げ、リングの中心を通る径方向から押圧した状態で拘束
   し、その最大負荷部に発生するき裂を測定することがで
   きることを特徴とする請求項１記載の炉内材料モニター
   装置。 ７、炉内構造材料からなる板状供試体に、軸方向に一定
   の荷重をかけ、これらを炉水が自在に還流できるような
   貫通孔を有する保持フレーム内に吊り下げて保持し、軸
   方向に発生するき裂を測定することができることを特徴
   とする請求項１記載の炉内材料モニター装置。 ８、炉心部軸方向の構造材料劣化を予知するために、ホ
   ルダーの軸方向にそって挿入した複数個の請求項２記載
   の供試体の材質変化の信号を、信号ケーブル、リード線
   を経て炉外に取出すようにした炉心材料モニター用ホル
   ダーを、炉心近傍部に燃料棒と並行して装入し、軸方向
   の複数箇所における供試体のき裂の成長を、長時間にわ
   たり、オン・ラインで測定することができることを特徴
   とする請求項１記載の炉内材料モニター装置。