JPH09304582A - 沸騰水型原子炉炉内の環境評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】シュラウド１内面と外周部燃料棒集合体１３と
の間の部位に、応力腐食割れ材料試験片を設置し、シュ
ラウド１内面でのＳＣＣ環境および材料のＳＣＣ挙動を
直接決定する。 【解決手段】応力付加試験片，試験片を炉心鉛直軸方向
の位置に固定するための治具，試験片などの部材が万が
一炉心部に落下して回収不能となることを防止するため
の囲い、および上部格子板２に囲いと試験片治具によっ
て構成される容器９を固定するための上蓋から構成され
る装置を、シュラウド１内面と外周部燃料棒集合体１３
との間の部位に設置し、定期検査時に炉内に設置し、炉
内環境に直接曝露することによりＳＣＣを材料試験片に
発生させ、一定期間の経過後に炉内から試験片を取り出
しＳＣＣ環境をオフラインで評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉構
造材料の応力腐食割れ環境の測定方法に係り、特に沸騰
水型原子炉圧力容器内のシュラウドの応力腐食割れ環境
の高精度の測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】実炉環境での材料の応力腐食割れ（以下
ＳＣＣ：stress corrosion cracking)挙動評価におい
て、これまでは再循環系配管の応力腐食割れ防止、ある
いは炉心部の高照射場に置かれた構造物の照射誘起応力
腐食割れ（以下ＩＡＳＣＣ：irradiation assisted str
ess corrosion cracking）に関心が持たれていた。従
来、ステンレス鋼などの原子炉構造材料の実炉環境での
ＳＣＣ特性評価には、炉外試験と炉内試験が行われてい
る。

【０００３】炉外試験では、再循環配管やドレンライン
から引き出したサンプリング管上にオートクレーブを設
置し、引っ張り加重試験器等を組み合わせることによっ
て炉水環境での材料挙動評価をする。

【０００４】一方、炉内試験では、例えば、S. Kasahar
a, etal. “The effects of minorelements on IASCC s
usceptivility in austenitic stainless steels irrad
iated with neutrons”, Proceedings of the sixth in
ternational symposium on environmental degrada
tion of materials in nuclear power systems-water
reactors-TMS, San Diego, Augsut,1993，に記載されて
いるように、炉心中心付近の比較的中性子束が均一な炉
心バイパス部位（燃料棒集合体内部の炉水チャネル以外
の部位）に材料試験片を中性子源ホルダを改造した容器
内に置いて実施される方法がある。容器内には、照射後
ＳＣＣ試験片と照射中応力腐食割れ試験片が納められ
る。一定期間経過の後、試験材料を取り出し、照射後試
験の場合には炉心部冷却水水質を模擬あるいは加速した
試験となるように設定された高温水中に浸漬し、引っ張
り応力を加えて特性評価試験を行う。照射中ＳＣＣ試験
の場合には、炉心装荷時に応力が材料に加わるようにス
エリングチューブが用いられる。スエリングチューブで
は、試験材料で作成したチューブ内にホウ素を含む化合
物ペレットを充填し、ペレットが中性子−ホウ素核反応
により生成したヘリウムによって体積膨張しチューブを
内面から押し広げることによって材料に引っ張り応力が
加えられる。取り出されたスエリングチューブ表面には
ＳＣＣにより多くの亀裂が観測される。

【０００５】このような試験では、炉内環境でのＳＣＣ
挙動を実時間で観測することはできないが、近年では
D. Weinstein,“Real time, in-reactor monitoring of
double cantilever beam crack growth sensors”, Pr
oceedings of the sixthinternational symposium on e
nvironmental degradation of materials in nuclear
power systems-water reactors-TMS, San Diego, Augs
t, 1993に記されるように、中性子計装管を利用して沸
騰水型原子炉炉内にＤＣＢ（double cantilever be
am)亀裂進展センサ（以下ＤＣＢセンサ）を装荷し、Ｓ
ＣＣ環境を直接オンラインでモニタすることが試みられ
ている。炉心中心部付近に装荷された照射容器を用いた
炉内試験では、十分なγ線および中性子の線量率のもと
で炉内機器に対して加速側の照射効果が得られる。照射
下ＳＣＣ試験であれば、炉心部炉水に試験片が浸漬され
ており実機腐食環境を反映している。これらの試験方法
では炉心中心近傍に試験材を設置しているために、試験
材が受ける線量率は比較的精度良く評価することができ
る。また試験材周りの炉水流量も設計に考慮されている
ことから、炉水中の酸化性成分濃度をある評価精度の幅
のなかで見積もることが可能である。

【０００６】従って、このような試験ではチャネルボッ
クスに用いられている固定ピンやスペーサバネ，中性子
源ホルダの構成部材、あるいは制御棒構成部材のＳＣＣ
環境評価に対して有効である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、経年化炉のシュ
ラウドなど炉内構造機器のＳＣＣ評価への関心が高い。
これは、より長く原子炉を使用することへの要求が大き
くなっているからである。このような部位の材料のＳＣ
Ｃ挙動評価に対して従来の方法には以下の問題がある。

【０００８】まず炉外試験では、炉心部と炉外位置では
一次冷却水中に溶存する酸素，過酸化水素などの酸化性
成分濃度が大きく異なり、腐食環境が異なる。また、炉
心に比べγ線および中性子の線量率が何桁も小さく、材
料そのものの放射線照射の影響が重畳しないため、炉外
試験の結果を用いて高照射場に置かれた炉内構造物のＳ
ＣＣ評価を行うことは難しい。従って、シュラウドのよ
うな炉心外周部の構造物のＳＣＣ挙動評価では炉内での
実環境を用いた評価試験を実施することが必要である。

【０００９】従来方法では試験片を炉心中心部に設置し
ていたが、シュラウドのような炉心外周部の構造物は炉
心中心部とはＳＣＣ環境が異なっている。

【００１０】まず第一に、炉心外周部燃料棒集合体とシ
ュラウドの間は通常数cm〜数十cmの隙間を形成している
が、冷却のため炉水を流す設計がされていない上に、こ
の部位における上部格子板には炉水が抜けないように上
部蓋が付いている。そのため炉水の流れは図１の点線で
示すような一様な流速分布をして流れているわけではな
く、実線で示すような流れになっていると考えられる。
すなわち、シュラウド近傍で遅く、炉心中央部でガンマ
ヒーティングによる加熱の影響を受け速く流れていると
考えられる。しかし、諸条件が不明のため、シュラウド
表面付近を流れる炉水の具体的な流速は不明である。そ
のため、γ線および中性子の照射を受けて炉水がどの程
度放射線分解され、酸化性成分が生成しているかを精度
良く評価することができない（炉水の流れが速い場合、
生成した酸化性成分が流されることによって酸化性成分
の濃度が小さくなる）。

【００１１】第二に、炉心中心部の比較的評価の行い易
い均一な中性子束分布、あるいはγ線線量率と異なり、
シュラウド内面近傍の炉水の受ける線量率の正確な評価
が現状では定まらない。図２は遮蔽計算コードに基づい
て、典型的な系方向の線量率分布を炉心中心部を基準と
した相対値で示したものである。図では、燃料棒集合体
外周部からシュラウドにかけての、炉水による連続的な
線量率の減衰を線形に仮定して示してある。遮蔽計算で
は炉心中心に一様な線量を持つ線源を置くことにより、
炉外の線量率を評価することから、シュラウド内面近傍
の線量を精度よく評価することは難しい。現状では炉心
の線量率の１〜２桁落ちの線量がシュラウド内面近傍に
吸収されていると仮定されている。

【００１２】以上のように、炉水流速と線量率の２つが
現状では不明であるため、炉心外周部を構成するシュラ
ウドのような構造物のＳＣＣ環境を決定することが難し
い。シュラウド等の適切な材料選択，正確な寿命予測の
ために、適切なＳＣＣ環境評価の方法が求められる。

【００１３】本発明の目的は、シュラウド内面でのＳＣ
Ｃ環境および材料のＳＣＣ挙動を直接に精度よく決定す
る方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、原子炉圧力容器内にシュラウド構造を有す
る沸騰水型原子炉の、炉心を構成する燃料棒集合体の外
縁部とシュラウド内面とが形成する空間部位に応力腐食
割れ材料試験片を設置した応力腐食割れ環境評価方法を
提供する。この構成により現実の腐食環境を直接反映し
た材料試験が可能となり原子炉圧力容器内機器の腐食損
傷防止に好適な材料および運転管理方法の選定が可能と
なる。

【００１５】更に、上記において、材料試験片を設置す
るために燃料棒集合体が置かれていない上部格子板の外
周部に設けられた炉心冷却水流れ止めの蓋に穴をあけ
て、材料試験片を納めた容器を装荷することが好まし
い。この構成により容易に応力腐食割れ試験片を燃料棒
集合体の外縁部とシュラウド内面とが形成する空間部位
に設置することが可能になる。

【００１６】また、材料試験片を設置するために、炉心
を形成する燃料棒集合体の炉心外周部に位置する燃料棒
集合体のうちシュラウド内面に最も近い位置にあるもの
を、材料試験片を納めた容器と交換して応力腐食割れ試
験を行うことが好ましい。この構造によれば原子炉圧力
容器等に何らの加工も施さずに試験片を設置可能になる
ので、簡易に材料試験ができる。

【００１７】また、上記材料試験片は、少なくとも一つ
が応力腐食割れによる亀裂進展速度を測定する試験片，
材料試験片の少なくとも一つに応力腐食割れ試験片に応
力を付加するために、放射線の高照射場で体積膨張する
材料を用いたもの、亀裂進展速度を測定するために一種
の材料に異なる熱処理を施した複数の試験片であるも
の、試験片の周囲にγ線および中性子線を遮蔽する構造
を設けることにより材料に対する放射線照射の直接作用
を調べるようにしたものなどとすることが好ましい。上
記のような試験片を用いることによって、応力腐食割れ
の発生条件を、より正確に測定することができる。

【００１８】本発明を更に詳しく述べれば、図６，図
７，図８においてＳＣＣ試験片，SCC試験片を炉心鉛直
軸方向の位置に固定するための試験片吊り下げ棒１９，
試験片などの部材が万が一炉心部に落下して回収不能と
なることを防止するための鞘２４、および上部格子板２
に鞘２４と試験片吊り下げ棒１９によって構成される試
験片格納容器９を固定するための上蓋２３から構成され
る装置をシュラウド１内面と外周部燃料棒集合体１３と
の間の部位に設置し、定期検査時に炉内に設置し、炉内
環境に直接曝露することによりＳＣＣを材料試験片に発
生させ、一定期間の経過後に炉内から試験片を取り出し
ＳＣＣ環境をオフラインで評価することである。

【００１９】本発明の適用により、シュラウド１では内
表面付近を流れる炉水流速および線量率が不明である
が、γ線および中性子の照射を受けて生成した酸化性成
分を含む炉水に直接浸漬することによって、現実の腐食
環境を反映した材料試験が可能となる。しかも、亀裂進
展量をオフラインで測定することによって信号線の取り
出しが不要となるため、信号線引き出し構造のないシュ
ラウド１内面付近でも実施可能であり、また試験片の構
造が簡単となるため故障が無く、原子炉の運転に影響を
及ぼさない。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を説明す
る。

【００２１】（実施例１）初めに、図３は本発明の定検
作業時における主要な手順を示した実施手順を示したア
ルゴリズムである。解列，格納容器５及び圧力容器４開
放の後、燃料の移動およびＬＰＲＭ（local power rang
e monitor)管取り替えのさいに、試験片を設置する。既
設炉に新規に試験片を設置するときには上部格子板２外
周部に試験片格納容器９を挿入するための試験部孔１４
を開ける必要があり、周囲の燃料棒の移動が安全の上で
必要である。そのために燃料移動により試験部孔１４穴
開け位置近くの燃料棒を取り出した後に作業を実施す
る。後で詳細に述べる試験片設置作業の後、残る定期検
査作業を実施し、圧力容器４，格納容器５を復旧して、
起動準備，併列とする。

【００２２】次に図４を用いて本発明の構成と実施作業
手順の詳細を説明する。初めに試験部孔１４位置近くに
置かれた燃料棒集合体１３を移動する。続いて、試験部
孔１４穴開け位置にガイド７をホイスト６を用いてワイ
ヤ１２により釣り下げ、ガイド支持脚１０をシュラウド
１の上部、および穴開け位置近接の上部格子板２に固定
し、ガイド７を支持する。容器固定具８はガイド７上を
走行し試験片格納容器９を挿入するために用いるもので
あるが、穴開け時には、試験片格納容器９の代わりに水
中放電加工機１１を固定することができる。固定された
ガイド７に従って水中放電加工機１１を下ろし、試験片
格納容器９を挿入するための穴を上部格子板２外周部に
開ける。開孔後、放電加工機をつり上げて回収し、試験
片格納容器９を容器固定具８に固定する。ホイスト６か
ら吊り下げられた試験片格納容器９は、ワイヤ１２を緩
めることによってガイド７に従って降下し、上部格子板
２に開けられた穴に差し込まれる。容器固定具８は試験
片格納容器９が穴に差し込まれてしばらく下降したあと
で操作員の操作により試験片格納容器９と分離する。試
験片格納容器９が完全に穴の中に入ったら、試験片格納
容器９を吊り下げていたワイヤ１２をはずす。図には試
験片格納容器９が完全に炉内に入った時の状態を点線で
示した。

【００２３】続いて、試験片格納容器９の設置位置につ
いて詳細を説明する。図５は圧力容器４の上部格子板２
付近の横断面を示したもので、それぞれ圧力容器４，シ
ュラウド１，上部格子板２、および主蒸気系配管１６を
示したものである。図中に示すように上部格子板２は一
格子当たりの中に４体の燃料棒集合体１３が納められ
る。しかし、上部格子板２周辺部位では炉心構造上一格
子内に４体の燃料棒集合体１３を収納できない部位が生
じ、図に斜線で示すような位置には上部蓋１５がしてあ
る。本発明ではこの上部蓋１５位置を利用して、試験片
格納容器９を据え付ける。上部蓋１５に示された白丸が
試験片格納容器９を挿入するための試験部孔１４であ
る。図には試験部孔１４を一つだけ示したが、多数の試
験片による試験を実施して試験精度を向上するために、
実際にはシュラウド１内面の一ケ所以上の位置に試験片
を設置することが必要である。

【００２４】図６は図５の試験部孔１４位置を縦割りに
して、試験片の設置の様子を示したものであり、試験片
格納容器９は、上部格子板２に固定するための固定治具
１７、及び試験片回収時の吊り下げフック１８，構成部
品の一部が炉内に落ちて無くなることを防ぐための鞘２
４、および試験片を所定の位置に固定するための吊り下
げ棒１９から構成されており、吊り下げ棒１９には複数
種類の試験片が固定され、シュラウド１のＳＣＣが懸念
される部位近傍での鉛直方向位置を変えて複数設置され
る。本実施例では、ダブルＵベンド試験片２０とＤＣＢ
試験片２１が示してある。

【００２５】図７は試験片格納容器９について詳細を示
したものである。試験片格納容器９は上蓋２３と鞘２４
の部分から成る。鞘２４には炉心部炉水を通水するため
に多くの小さな通水孔２２が開けられており、最小の部
品より小さい直径とすることによって炉心部に部品を失
うことを防止する。上蓋には試験片の吊り下げ棒１９と
容器を回収するときに吊り下げるための吊り下げフック
１８が固定されている。鞘２４と上蓋２３は鞘２４から
出たボルト２６を上蓋２３を通しナット２５で締めるこ
とによって固定される。このような試験片格納容器９構
造をとることにより、（１）多くの通水孔２２を持つこ
とにより炉水が十分に容器の中を流れ、実際の炉水環境
を忠実に反映することが可能となる、（２）回収後試験
片の取り出しが容易となることが効果として挙げられ
る。

【００２６】図８は別の実施例を示すものである。上部
格子板２の上部蓋１５に試験部孔１４の穴開け加工をせ
ずに一体の燃料棒集合体１３を改造して中に試験片を納
めたものを、炉心最外周のチャネル位置に設置したもの
である。炉底部から炉水が流れ込まないようになってお
り、試験片格納容器９のシュラウド１に面した側に炉水
が流れ込むように通水孔２２が設けられている。この場
合、シュラウド１内面と燃料棒集合体１３，最外周部と
の間に試験片格納容器９を納めるために十分な間隔を確
保できない場合などに有効である。シュラウド１近傍と
は線量率の分布が異なる恐れはある反面、水質的にはシ
ュラウド１内面を流れる炉水に近いものを代表している
と考えられ、また、上部格子板２に試験部孔１４を開け
ずに試験片を設置することができ、短期間で試験片の設
置ができるメリットがある。

【００２７】図９は異なるＳＣＣ感受性を持つ同一の材
料を用いてＤＣＢ型の試験を行ったときの期待される結
果を示したものである。完全に鋭敏化した材料を用いて
試験を行えば、図９の上図のように亀裂は起動共に炉水
環境に応じて進展するはずである。従って、亀裂進展量
を運転時間で割ることにより、平均の亀裂進展速度が求
められＳＣＣ環境がわかる。一方、本発明ではオンライ
ンで亀裂進展量をモニタしないために、図９の下図のよ
うに亀裂の進展が初期には進まずに、ある一定期間の環
境への曝露ののちに亀裂が進む場合には、平均の亀裂進
展速度を過小評価してしまう恐れがある。従って、鋭敏
化していない材料を用いて試験を同時に行った結果とし
て亀裂進展量に差が見られれば、その差から亀裂進展の
潜伏期間が推定される。図１０に示すように、鋭敏化し
て環境に曝されるとすぐに亀裂が発生し一定速度で成長
する場合、時間Ｔの亀裂長さＬを測定すれば勾配から亀
裂進展速度ａが求められる。そこで、同じ時間Ｔだけ環
境に曝された熱処理の異なる材料試験片の亀裂長さが
Ｌ′であれば亀裂進展速度が同じａであると仮定して潜
伏期間がＴｉであると求めることができる。

【００２８】潜伏期間を特定する場合には照射期間を変
えて亀裂進展速度を測定することによっても可能であ
る。亀裂進展速度がある一定の環境に曝されている間は
一定量ａであるとすると、同じく図１０に示すように、
亀裂長さと曝露時間の間には線形性が現れるから、Ｔ
１，Ｔ２、およびＴ３のシュラウド１近傍の環境へ曝さ
れた試験片の亀裂長さがそれぞれＬ１，Ｌ２，Ｌ３であ
ったとすれば、時間軸との交点Ｔｉを求めることにより
亀裂発生までの潜伏期間が評価できる。

【００２９】図１１は試験片の周りに、中性子を遮蔽す
るためのハフニウムやホウ素化合物のような物質やγ線
を遮蔽するための厚い鋼板を試験片周りに遮蔽体２７と
して設置した実施例である。遮蔽体２７の無い場合の亀
裂進展量と比較することにより、直接試験片に放射線が
照射されることにより材料が鋭敏化したり転移が発生し
たりすることによるＳＣＣ感受性の発露を捉えることが
できる。

【００３０】

【発明の効果】本発明の適用により、シュラウド１で内
表面の炉水および放射線照射場に設置され、現実の腐食
環境を直接反映した材料試験が実施可能となる。そのた
め沸騰水型原子炉圧力容器４内機器の腐食損傷防止に好
適な材料および運転管理方法選定が可能となる。

【００３１】更に、上記材料試験を少ないコストで容易
に実施し得る方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】炉心バイパス部流速分布。

【図２】径方向線量率分布。

【図３】本発明を実施する作業の流れ図。

【図４】試験片装荷位置を示す横断面図。

【図５】試験片格納容器の詳細図。

【図６】本発明の一実施例。

【図７】試験容器設置手順を示す縦断面図。

【図８】本発明の別の実施例。

【図９】処理の異なる試験片における亀裂進展量の違い
の例。

【図１０】環境への曝露時間と亀裂進展量の関係図。

【図１１】試験片周りに遮蔽体を設置した実施例。

【符号の説明】

１…シュラウド、２…上部格子板、３…炉心支持板、４
…圧力容器、５…格納容器、６…ホイスト、７…ガイ
ド、８…容器固定具、９…試験片格納容器、１０…ガイ
ド支持脚、１１…水中放電加工機、１２…ワイヤ、１３
…燃料棒集合体、１４…試験部孔、１５…上部蓋、１６
…主蒸気系配管、１７…固定治具、１８…吊り下げフッ
ク、１９…吊り下げ棒、２０…ダブルＵベンド試験片、
２１…DCB試験片、２２…通水孔、２３…上蓋、２４…
鞘、２５…ナット、２６…ボルト、２７…遮蔽体。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉圧力容器内にシュラウド構造を有す
   る沸騰水型原子炉の、炉心を構成する燃料棒集合体の外
   縁部とシュラウド内面とが形成する空間部位に材料試験
   片を設置することを特徴とする原子炉内環境評価方法。
2. 【請求項２】請求項１において、材料試験片を設置する
   ために燃料棒集合体が置かれていない上部格子板の外周
   部に設けられた炉心冷却水流れ止めの蓋に穴をあけて、
   材料試験片を納めた容器を装荷することを特徴とする応
   力腐食割れ環境評価方法。
3. 【請求項３】請求項１において、材料試験片を設置する
   ために、炉心を形成する燃料棒集合体の炉心外周部に位
   置する燃料棒集合体のうちシュラウド内面に最も近い位
   置にあるものを、材料試験片を納めた容器と交換して応
   力腐食割れ試験を行うことを特徴とする応力腐食割れ環
   境評価方法。
4. 【請求項４】請求項１において、前記材料試験片の少な
   くとも一つが応力腐食割れによる亀裂進展速度を測定す
   る試験片であることを特徴とする応力腐食割れ環境評価
   方法。
5. 【請求項５】請求項１において、前記材料試験片の少な
   くとも一つに応力腐食割れ試験片に応力を付加するため
   に、放射線の高照射場で体積膨張する材料を用いること
   を特徴とする応力腐食割れ環境評価方法。
6. 【請求項６】請求項１において、前記材料試験片の少な
   くとも一部が亀裂進展速度を測定するために一種の材料
   に異なる熱処理を施した複数の試験片であることを特徴
   とする応力腐食割れ環境評価方法。
7. 【請求項７】請求項１において、前記材料試験片の少な
   くとも一部が、該試験片の周囲にγ線および中性子線を
   遮蔽する構造を設けることにより材料に対する放射線照
   射の直接作用を調べるようにしたことを特徴とする応力
   腐食割れ環境評価方法。