JP2005181050A

JP2005181050A - 原子炉炉内構造物の診断システム

Info

Publication number: JP2005181050A
Application number: JP2003420948A
Authority: JP
Inventors: Shohei Kawano; 昌平川野; Shigeaki Tanaka; 重彰田中; Hiroshi Sakamoto; 博司坂本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】原子力発電プラントにおいて、原子炉炉内構造物が中性子の照射を受けると、照射誘起応力腐食割れ感受性の増大などの材料特性変化を生じるため、精度良く診断を行い、適切な保全、補修を行う必要がある。
従来の診断方法は、対象部位の中性子フラックスを中性子輸送計算結果から抽出し、運転時間との積から中性子照射量を解析し、これを基に対象部位ごとの診断、評価を行っているため作業が面倒で、多大な時間を要している。
【解決手段】あらかじめ中性子輸送計算により解析しておいた中性子照射フラックスの空間データベース５に基いて原子炉炉内構造物の照射量分布や材料特性分布、ヘリウム生成量分布、溶接可否の解析を原子力発電プラントの種類１や原子炉炉内構造物の種類２、運転年数３に応じて分布解析を行い、コンピュータで三次元画面８に表示し、立体的に診断を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、軽水炉型原子炉などを有する原子力発電プラントにおいて、中性子照射を受けるために生じる原子炉炉内構造物の材料特性変化についての診断、評価を行う原子炉炉内構造物の診断システムに関する。

原子力発電プラント（以下単にプラントと称する）においては、運転中に原子炉炉内構造物は中性子の照射を受ける。中性子照射を受けた原子炉炉内構造物を形成するステンレス鋼、ニッケル基合金、あるいは低合金鋼などの材料には照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ：Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking）感受性の増大、照射ぜい化、および核変換ヘリウムの生成による溶接性の低下等の材料特性変化（材質変化）が生じる。

したがって、プラントにおいて、こうした原子炉炉内構造物特有の材料特性変化の発生を精度よく診断し、適切な保全、補修を行うことがプラントの安全性や経済性の向上のために重要な課題である。

中性子照射による原子炉炉内構造物の材料特性変化を診断、評価するためには、原子炉炉内構造物の評価対象部位への中性子照射量を知る必要がある。
原子炉炉内構造物への中性子照射量は、炉心を線源とする中性子の挙動を計算する輸送計算により解析される。具体的には評価対象部位への中性子フラックスの量を輸送計算により求め、中性子フラックスの量と原子炉の運転時間との積から中性子照射量を計算する。

中性子フラックスの量は原子炉炉内構造物の位置によって異なり、燃料との距離、および炉水の有無等の影響を受ける。そして中性子照射に伴う材料特性変化、すなわち照射誘起応力腐食割れ感受性の増大や、照射ぜい化、材料中の核変換ヘリウム生成量等を中性子照射量から推定する必要がある。

従来の原子炉炉内構造物の診断方法においては、原子炉炉内構造物の評価対象部位の中性子フラックス量を中性子輸送計算結果から抽出し、原子炉の運転時間との積から中性子照射量を計算し、予め求めている材料変化特性と中性子照射量との関係を示す参照データから評価対象部位の材料変化特性を診断、評価していた。

しかしこの診断方法であると、原子炉炉内構造物の立体形状に対する中性子照射量や、材料変化特性の分布を求めるためには、評価対象部位ごとにそれぞれの中性子フラックスを抽出する作業が必要となり、診断、評価に多大な時間を要し、面倒であった。

本発明は、プラントにおいて、原子炉炉内構造物の材料が受ける中性子照射量や材料変化特性の三次元分布を迅速に、短時間に、容易に診断、評価することのできる原子炉炉内構造物の診断システムを得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、原子力発電プラントの種類を記憶しているプラント種類記憶手段と、原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶手段と、原子力発電プラントの運転年数を記憶している運転年数記憶手段と、予め中性子輸送計算により解析した中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースと、前記プラント種類記憶手段、構造物種類記憶手段、運転年数記憶手段からのデータが入力され、前記空間分布データベースに基いて原子炉炉内構造物の中性子照射量分布の解析を行う中性子照射量分布解析手段とからなることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、原子力発電プラントの種類を記憶しているプラント種類記憶手段と、原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶手段と、原子力発電プラントの運転年数を記憶している運転年数記憶手段と、予め中性子輸送計算により解析した中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースと、前記プラント種類記憶手段、構造物種類記憶手段、運転年数記憶手段からのデータが入力され、前記空間分布データベースに基いて原子炉炉内構造物の中性子照射量分布の解析を行う中性子照射量分布解析手段と、原子炉炉内構造物を形成する材料の材料特性を記憶している材料特性記憶手段と、予め材料特性値と中性子照射量との関係を定式化したマスターカーブデータを備えたマスターカーブデータベースと、前記中性子照射量分布解析手段からの中性子照射量分布データと前記材料特性記憶手段からのデータが入力され、前記マスターカーブデータベースに基いて原子炉炉内構造物の材料特性分布の解析を行う材料特性分布解析手段とからなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、原子力発電プラントの種類を記憶しているプラント種類記憶手段と、原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶手段と、原子力発電プラントの運転年数を記憶している運転年数記憶手段と、予め中性子輸送計算により解析した中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースと、原子炉炉内構造物を形成する材料の材料化学成分を記憶している材料化学成分記憶手段と、前記プラント種類記憶手段、構造物種類記憶手段、運転年数記憶手段、および材料化学成分記憶手段からのデータが入力され、前記空間分布データベースに基いて原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布の解析を行うヘリウム生成量分布解析手段とからなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、原子力発電プラントの種類を記憶しているプラント種類記憶手段と、原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶手段と、原子力発電プラントの運転年数を記憶している運転年数記憶手段と、予め中性子輸送計算により解析した中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースと、原子炉炉内構造物を形成する材料の材料化学成分を記憶している材料化学成分記憶手段と、前記プラント種類記憶手段、構造物種類記憶手段、運転年数記憶手段、および材料化学成分記憶手段からのデータが入力され、前記空間分布データベースに基いて原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布の解析を行うヘリウム生成量分布解析手段と、原子炉炉内構造物の補修溶接条件を記憶している補修溶接条件記憶手段と、前記ヘリウム生成量分布解析手段からのヘリウム生成量分布データと前記補修溶接条件記憶手段からのデータが入力され、溶接時のヘリウム気泡径および数密度の時間変化の解析を行う溶接時のヘリウム気泡径／数密度の時間変化解析手段と、解析された溶接時のヘリウム気泡径および数密度の時間変化から溶接可否の判定を行う溶接可否解析手段とからなることを特徴とする。

本発明によれば、中性子照射を受けた原子炉炉内構造物の材料特性変化やヘリウム生成量の評価が容易かつ立体的に診断することができ、原子炉の長寿命化や予防保全に有効であり、原子炉の信頼性を向上させることができる。

以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の第1の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムの構成と動作フローを示すブロック図で、図１において、１〜３は診断、評価要素を記憶しているファイルで、１は沸騰水型原子炉、加圧水型原子炉等のプラントの種類を記憶しているプラント種類記憶ファイル、２は炉心シュラウド、気水分離器、蒸気乾燥器等の原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶ファイル、、３はプラントの運転年数を記憶している運転年数記憶ファイルである。４は中性子照射量分布解析手段である。

これらの診断、評価要素のファイル１〜３からそれぞれ診断、評価するプラントの種類および原子炉炉内構造物の種類を選択するとともに、プラントの運転年数を選択し、中性子照射量分布解析手段４に入力する。

５は予め中性子輸送計算により解析しておいた中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースで、前記中性子照射量分布解析手段４にデータが入力され、この空間分布データと併せて前記プラント種類記憶ファイル１、構造物種類記憶ファイル２、運転年数記憶ファイル３のデータに基いて、原子炉炉内構造物の中性子照射量分布の解析を行う。
中性子照射量分布解析手段４で解析された原子炉炉内構造物の中性子照射量分布データは表示装置６によって表示が行われる。

図２は、本発明の第１の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムにおいて、本診断システムをコンピュータに搭載できるように開発したソフトの解析結果出力画面例を示す図である。

本ソフトでは、診断、評価するプラントの種類および原子炉炉内構造物の種類を選択した後、プラントの運転年数を画面上の指定欄７で設定することにより、コンピュータの画面上に中性子照射量の三次元分布８を表示することができる。

図２の例は、炉心シュラウド内面の０〜９０°の範囲の高速中性子照射量（Ｅ＞1MeV）をコンター表示しており、中性子照射量が部位により分布を持つことが三次元的によく理解することができる。

さらに画面上に指定したカーソル位置における中性子照射量の数値を表示する機能や、画面を拡大、縮小、回転する機能や、実測データに基いて中性子照射量の解析結果を補正する機能も有している。

ここで中性子照射量分布を解析する方法の一例を説明すると、予めプラントの炉内構造物ごとに解析しておいた中性子フラックスの空間分布φ（x,y,z）に運転時間ｔ（秒）を乗じ、中性子照射量の空間分布φｔ（x,y,z）を求める。そして画面上に中性子照射量を三次元表示する。

このような診断システムにより、一般技術者が煩雑な計算を行わずに原子炉炉内構造物の中性子照射量の三次元分布を短時間のうちに、容易に解析することが可能となり、中性子照射に起因する材料特性変化を評価対象部位ごとに診断、評価することが可能となる。

次に本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図３において、診断、評価するプラントの種類および原子炉炉内構造物の種類を選択するとともに、プラントの運転年数を中性子照射量分布解析手段４に入力する。
空間分布データベース５から中性子照射フラックスの空間分布データが前記中性子照射量分布解析手段４に入力され、この空間分布データと併せてプラント種類記憶ファイル１、原子炉炉内構造物種類記憶ファイル２、運転年数記憶ファイル３のデータに基いて、原子炉炉内構造物の中性子照射量分布の解析を行う。

９は原子炉炉内構造物の材料特性を記憶した材料特性ファイル、１０は予め取得した材料特性値と中性子照射量との関係を定式化したマスターカーブデータを備えたマスターカーブデータベースである。

前記中性子照射量分布解析手段４により解析された原子炉炉内構造物の中性子照射量分布データ１１と、診断、評価する材料の材料特性を選択し、マスターカーブデータベース１０のマスターカーブに基いて材料特性分布解析手段１２により診断、評価する材料特性に関する原子炉炉内構造物の材料特性分布の解析を行う。

材料特性分布解析手段１２により解析された原子炉炉内構造物の材料特性分布データは表示装置１３によって表示が行われる。
このような診断システムにより、中性子照射による材料特性変化を対象部位ごとに解析し、表示することが可能となり、プラントの信頼性評価を高めることができる。

次に本発明の第３の実施の形態について図４および図５を参照して説明する。
図４において、１４は原子炉炉内構造物を形成する材料の化学成分を記憶した材料化学成分記憶ファイルである。

診断、評価するプラントの種類１および原子炉炉内構造物の種類２を選択するとともに、診断、評価するプラントの運転年数３、および材料化学成分記憶ファイル１４より原子炉炉内構造物を形成する材料科学成分をヘリウム生成量分布解析手段１５に入力し、予め中性子輸送計算により解析しておいた中性子照射フラックスの空間分布データベース５に基いて、原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布の解析を行う。
ヘリウム生成量分布解析手段１５で解析された原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布データは表示装置１６によって表示が行われる。

図５は、本発明の第３の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムにおいて、原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布について診断するソフトの解析結果出力画面例を示す図である。

診断、評価するプラントの種類および原子炉炉内構造物を選択した後、運転年数を指定欄７で設定し、さらに、材料化学成分としてヘリウム生成量を支配するボロン（Ｂ）およびニッケル（Ｎｉ）を指定欄１７で設定することにより、コンピュータの画面上にヘリウム生成量の三次元分布表示１８を行うことができる。

図５は、炉心シュラウド外面における０〜９０°の範囲のヘリウム生成量をコンター表示しており、ヘリウム生成量が部位により分布を持つことが三次元的によく理解することができる。

さらに画面上に指定したカーソル位置におけるヘリウム生成量の数値を表示する機能や、画面を拡大、縮小、回転する機能や、実測データに基づいて解析結果を補正する機能も有する。

ここでヘリウム生成量を解析する方法の一例を説明すると、核変換ヘリウムは、熱中性子と１０−Ｂ（ボロン１０）の（ｎ,α）反応および５８−Ｎｉ（ニッケル５８）の２段反応により主に生成されることに着目し、材料中のＢおよびＮｉ量を入力データとして、部位ごとの熱中性子照射量φn・t（x,y,z）から、ヘリウム生成量分布ＮHe（x,y,z）を核変換反応解析より求める。そして画面上にヘリウム生成量を三次元表示する。
このような診断システムにより、中性子照射によるヘリウム生成量を対象部位ごとに解析し、表示することが可能となり、プラントの信頼性評価を高めることができる。

次に本発明の第４の実施の形態について図６を参照して説明する。
図６において、１９は原子炉炉内構造物の補修溶接条件を記憶した補修溶接条件記憶ファイルである。

診断、評価するプラントの種類１および原子炉炉内構造物の種類２を選択するとともに、診断、評価するプラントの運転年数３、および材料化学成分ファイル１４より原子炉炉内構造物を形成する材料科学成分をヘリウム生成量分布解析手段１５に入力し、予め中性子輸送計算により解析しておいた中性子照射フラックスの空間分布データベース５に基いて、原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布の解析を行う。

２０は溶接時のヘリウム気泡径および数密度の時間変化解析手段で、ヘリウム生成量分布解析手段１５で解析された原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布データ２１と原子炉炉内構造物の補修溶接条件記憶ファイル１９のデータとを入力情報として溶接時のヘリウム気泡径および数密度の時間変化解析を行い、解析された溶接時のヘリウム気泡径および数密度の時間変化から溶接可否解析手段２２により溶接可否の判定を行う。
溶接可否の判定は表示装置２３によって表示が行われる。

ここで原子炉炉内構造物のヘリウム生成量と補修溶接条件から溶接可否の解析を行う方法としては、例えばJournal of Nuclear Materials 258-263(1998)2008-2012、および、特開平１０−１１１３８０公報などに公開される手法が挙げられる。
このような診断システムにより、一般技術者が核変換ヘリウムに起因する溶接性の変化を容易に解析することが可能となり、プラントの信頼性評価を高めることができる。

本発明の第１の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムを示すブロック図。本発明の第１の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムの解析結果出力画面例を示す図。本発明の第２の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムを示すブロック図。本発明の第３の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムを示すブロック図。本発明の第３の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムの解析結果出力画面例を示す図。本発明の第４の実施の形態による原子炉炉内構造物の診断システムを示すブロック図。

符号の説明

１…プラント種類記憶ファイル、２…構造物種類記憶ファイル、３…運転年数記憶ファイル、４…中性子照射量分布解析手段、５…中性子照射フラックスの空間分布データベース、６…表示装置、７…指定欄、８…中性子照射量の三次元分布表示、９…材料特性ファイル、１０…マスターカーブデータベース、１１…中性子照射量分布データ、１２…材料特性分布解析手段、１３…表示装置、１４…材料化学成分記憶ファイル、１５…ヘリウム生成量分布解析手段、１６…表示装置、１７…指定欄、１８…ヘリウム生成量の三次元分布表示、１９…補修溶接条件記憶ファイル、２０…溶接時のヘリウム気泡／数密度の時間変化解析手段、２１…ヘリウム生成量分布データ、２２…溶接可否解析手段、２３…表示装置。

Claims

原子力発電プラントの種類を記憶しているプラント種類記憶手段と、原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶手段と、原子力発電プラントの運転年数を記憶している運転年数記憶手段と、予め中性子輸送計算により解析した中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースと、前記プラント種類記憶手段、構造物種類記憶手段、運転年数記憶手段からのデータが入力され、前記空間分布データベースに基いて前記原子力発電プラントの種類、運転年数に応じた原子炉炉内構造物の中性子照射量分布の解析を行う中性子照射量分布解析手段とからなる原子炉炉内構造物の診断システム。
原子力発電プラントの種類を記憶しているプラント種類記憶手段と、原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶手段と、原子力発電プラントの運転年数を記憶している運転年数記憶手段と、予め中性子輸送計算により解析した中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースと、前記プラント種類記憶手段、構造物種類記憶手段、運転年数記憶手段からのデータが入力され、前記空間分布データベースに基いて前記原子力発電プラントの種類、運転年数に応じた原子炉炉内構造物の中性子照射量分布の解析を行う中性子照射量分布解析手段と、原子炉炉内構造物を形成する材料の材料特性を記憶している材料特性記憶手段と、予め材料特性値と中性子照射量との関係を定式化したマスターカーブデータを備えたマスターカーブデータベースと、前記中性子照射量分布解析手段からの中性子照射量分布データと前記材料特性記憶手段からのデータが入力され、前記マスターカーブデータベースに基いて原子炉炉内構造物の材料特性分布の解析を行う材料特性分布解析手段とからなる原子炉炉内構造物の診断システム。
原子力発電プラントの種類を記憶しているプラント種類記憶手段と、原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶手段と、原子力発電プラントの運転年数を記憶している運転年数記憶手段と、予め中性子輸送計算により解析した中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースと、原子炉炉内構造物を形成する材料の材料化学成分を記憶している材料化学成分記憶手段と、
前記プラント種類記憶手段、構造物種類記憶手段、運転年数記憶手段、および材料化学成分記憶手段からのデータが入力され、前記空間分布データベースに基いて前記原子力発電プラントの種類、運転年数に応じた原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布の解析を行うヘリウム生成量分布解析手段とからなる原子炉炉内構造物の診断システム。
原子力発電プラントの種類を記憶しているプラント種類記憶手段と、原子炉炉内構造物の種類を記憶している構造物種類記憶手段と、原子力発電プラントの運転年数を記憶している運転年数記憶手段と、予め中性子輸送計算により解析した中性子照射フラックスの空間分布データを備える空間分布データベースと、原子炉炉内構造物を形成する材料の材料化学成分を記憶している材料化学成分記憶手段と、前記プラント種類記憶手段、構造物種類記憶手段、運転年数記憶手段、および材料化学成分記憶手段からのデータが入力され、前記空間分布データベースに基いて前記原子力発電プラントの種類、運転年数に応じた原子炉炉内構造物のヘリウム生成量分布の解析を行うヘリウム生成量分布解析手段と、原子炉炉内構造物の補修溶接条件を記憶している補修溶接条件記憶手段と、前記ヘリウム生成量分布解析手段からのヘリウム生成量分布データと前記補修溶接条件記憶手段からのデータが入力され、溶接時のヘリウム気泡径および数密度の時間変化の解析を行う溶接時のヘリウム気泡径／数密度の時間変化解析手段と、解析された溶接時のヘリウム気泡径および数密度の時間変化から溶接可否の判定を行う溶接可否解析手段とからなる原子炉炉内構造物の診断システム。