JP2016223865A

JP2016223865A - 温度応動弁、原子力発電プラント及び温度応動弁用低融点金属

Info

Publication number: JP2016223865A
Application number: JP2015109331A
Authority: JP
Inventors: 剛沼田; Takeshi Numata; 祐策丸野; Yusaku Maruno; 芳久清時; Yoshihisa Kiyotoki
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2016-12-28

Abstract

【課題】溶栓のプラグを、実質的に鉛を含まない低融点金属で構成する。【解決手段】原子炉格納容器の内部であって原子炉圧力容器の外部に設置される温度応動弁であって、温度の上昇に伴い溶融する低融点金属で構成されたプラグを有し、低融点金属は、鉛以外の元素を基金属とする。溶栓１０は、パイプ１２と低融点金属３２を備え、パイプ１２は小径部１４と大径部１６とを有する。大径部１６は低融点金属３２で満たされ、低融点金属３２の下面には樹脂板２６が付設されている。【選択図】図２

Description

本発明は、温度応動弁、原子力発電プラント及び温度応動弁用低融点金属に関する。

原子力発電所の原子炉格納容器内には、事故に備えて、溶栓という機器の設置が要求されている。溶栓（温度応動弁）は、原子炉圧力容器が損傷し、燃料が圧力容器外へ落下した場合（メルトスルーが起こった場合）に、落下した燃料の熱により、固体状態では栓として機能している融点の低い金属が溶融し、作動するものである。これにより、溶栓が開放され、原子炉格納容器内にサプレッションプールの水が注水されるようになっている。

電子機器分野においては、はんだ、ヒューズ等に比較的融点が低い金属を用いる技術が開発されている。現状、融点が２３０℃以上であることを要求される部品については、鉛を基金属とした低融点金属が使用されている。

原子力発電所における溶栓の作動温度は、２６０℃とすることが求められており、海外原子力発電所において製作実績のある溶栓には、鉛を基金属とした低融点金属が適用されている。

特許文献１には、溶栓のプラグは、鉛、スズ、銀、ビスマス、アンチモン、テリウム、亜鉛、銅等から選択された２種以上の金属の混合物であることが記載されています。

欧州特許出願公開第０４１９１５９号公報

原子力発電所を含むプラントにおける機器に対しては、ＲｏＨＳ指令等により使用金属に対し規制がなされており、鉛も含有量による使用制限がなされている。現状は、２３０℃以上の融点が要求される部分には、鉛を基金属とする低融点金属が用いられている。しかし、今後、規制が厳しくなった場合、鉛を基金属とする低融点金属が使用できなくなり、現行の溶栓が使用できなくなる可能性もある。

原子力発電所の事故事象は、設計基準事故と重大事故とに分類され、溶栓の作動も事故状態に応じたものが要求される。溶栓の周囲の温度は、設計基準事故時、重大事故時（メルトスルー前）、重大事故時（メルトスルー後）でそれぞれ、１７１℃以下、２００℃未満、２００℃以上となることが想定される。よって、溶栓は、２００℃未満では作動せず、メルトスルー後の２６０℃付近では作動することが要求される。したがって、溶栓に適用する低融点金属の温度変化に伴う相変化も、事故時の温度に適したものでなければならない。

本発明の目的は、溶栓のプラグを、実質的に鉛を含まない低融点金属で構成することにある。

本発明の温度応動弁は、原子炉格納容器の内部であって原子炉圧力容器の外部に設置され、温度の上昇に伴い溶融する低融点金属で構成されたプラグを有し、低融点金属は、鉛以外の元素を基金属とする。

本発明によれば、溶栓のプラグを、鉛を含まない低融点金属で構成することができる。

原子力発電所の原子炉格納容器を示す概略断面図である。本発明の溶栓の例を示す概略断面図である。

本発明は、金属が入熱により固相から液相へ相が変化することを利用する低融点金属に係り、例えば、原子力発電所の事故の際、温度上昇に伴い、自動的に作動し、事故の影響を緩和する機器に関する。

本発明の温度応動弁用低融点金属は、２６０℃にて溶融する鉛以外の元素を基金属とする合金の２元素金属組成を相平衡計算により決定したものである。そして、その結果に基づき、試験片を製作し、示差走査熱量測定により温度上昇に伴う相状態の確認を行った。ここで、相平衡とは、同じ物質が複数の異なる相となるとき、これらの相の間で平衡状態になることをいう。

計算に当たっては、これまでの相平衡結果のデータを流用することにより、低融点金属の融点を算出した。

加えて、鉛を基金属とする低融点金属との温度上昇に伴う機械強度の比較評価を行い、同等であることを確認した、そして、溶栓への適用の見通しを得た上で、融点に焦点を当てた相平衡計算により金属組成幅を決定した。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

図１は、原子力発電所の原子炉格納容器を示す概略断面図である。

本図に示すように、原子炉格納容器１内には、原子炉圧力容器２が設置されている。非常用の注水系統３は、事故時に原子炉圧力容器２内の水位を保つために設置されたものである。注水系統３の運転が失敗した際には、原子炉圧力容器２内の燃料集合体４の核反応による温度上昇が抑制されず、原子炉圧力容器２が損傷し、燃料が圧力容器２外へ落下する（メルトスルー）。

この場合に備えて、溶栓６という機器が設置されている。燃料が落下すると、原子炉格納容器１内の温度が上昇するため、溶栓６に組み込まれている融点の低い金属が溶融する。その結果、溶栓６が開放され、サプレッションプール５の水が注水される。

図２は、溶栓の例を示す縦断面図である。

本図においては、溶栓１０は、フランジ１１を有するパイプ１２と、低融点金属３２（プラグ）と、を備えている。パイプ１２は、内径が小さい小径部１４と、内径が大きい大径部１６と、を有する。小径部１４は、フランジ１１に接続されている。小径部１４と大径部１６との境界部分には、鋼板２２がはめ込まれている。さらに、鋼板２２の下面には、フッ素樹脂板２４が付設されている。大径部１６は、低融点金属３２で満たされている。低融点金属３２は、通常は固体状態である。低融点金属３２の下面には、樹脂板２６が付設されている。このような構成により、通常は溶栓１０が閉じた状態であり、サプレッションプールの水３１が流下しないようになっている。

事故が起こり、原子炉格納容器内の温度が上昇すると、樹脂板２６及び低融点金属３２が融解するため、水３１の水圧を支えきれなくなり、鋼板２２及びフッ素樹脂板２４が抜け落ち、水３１が流出する。

原子力発電所の事故の際には、溶栓の周囲の温度は、メルトスルー後に２００℃以上となると想定される。よって、溶栓は、２００℃未満では作動せず、メルトスルー後の２６０℃付近では作動することが要求される。

したがって、低融点金属３２の融点は、２４０〜２７０℃であることが望ましい。

以下、実施例について説明する。なお、合金の組成を表す百分率は、質量基準（質量％）である。

鉛を用いない低融点金属の組成は、融点が２６０℃近傍のスズ（Ｓｎ）を基金属とし、相平衡計算により添加金属による高融点化を検討した。そして、アンチモン（Ｓｂ）を含むスズ合金（Ｓｎ−１０％Ｓｂ）を試験片として採用することにした。また、比較評価のため、溶栓として適用実績がある、鉛を基金属とした低融点金属（Ｐｂ−１１．５％Ｓｂ）を用いることにした。

まず、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）の結果について説明する。

スズ合金（Ｓｎ−１０％Ｓｂ）及び鉛合金（Ｐｂ−１１．５％Ｓｂ）について、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）により作動温度２６０℃近傍での溶融を確認した。併せて、２００℃未満の相状態が固相であることを確認した。

表１は、その結果を示したものである。

つぎに、機械強度の試験結果について説明する。

機械強度の確認のため、Ｓｎを基金属とした低融点金属（Ｓｎ−１０％Ｓｂ）と鉛を基金属とした低融点金属（Ｐｂ−１１．５％Ｓｂ）に対し、同試験条件にて機械試験を実施し、機械強度の比較評価を行った。なお、機械強度の測定に当たっては事故状態の温度を考慮し、室温、８０℃に加え、２００℃での強度を測定した。

機械強度の試験としては、引張試験による０．２％耐力及び引張強さの測定、圧縮試験並びにせん断試験を行った。

引張試験は、ＪＩＳＺ２２４１「金属材料引張試験方法」に準拠して行った。試験片としては、ＪＩＳＺ２２０１「金属材料引張試験片」に準拠し、中央部の直径が４ｍｍの円柱形状のものを用いた。円柱形状の部分の長さは２０ｍｍである。

表２は、スズ合金（Ｓｎ−１０％Ｓｂ）の引張試験の結果を示したものである。また、表３は、鉛合金（Ｐｂ−１１．５％Ｓｂ）の引張試験の結果を示したものである。表中、試験片１及び２として示したデータは、同一組成の材料についてばらつきを確認するために測定した結果である。試験片１及び２については、後述の表４及び５においても同様である。

圧縮試験の試験片としては、直径８ｍｍ、高さ８ｍｍの円柱形状のものを用いた。

表４は、スズ合金（Ｓｎ−１０％Ｓｂ）及び鉛合金（Ｐｂ−１１．５％Ｓｂ）の圧縮試験の結果を示したものである。

せん断試験の試験片としては、直径１２ｍｍ、長さ４０ｍｍの丸棒を用いた。

表５は、スズ合金（Ｓｎ−１０％Ｓｂ）及び鉛合金（Ｐｂ−１１．５％Ｓｂ）のせん断試験の結果を示したものである。

以上の結果から、Ｓｎを基金属とした低融点金属（Ｓｎ−１０％Ｓｂ）の機械強度が鉛を基金属とした低融点金属（Ｐｂ−１１．５％Ｓｂ）とほぼ同等であることを確認した。

上記の２元素合金の結果から、相平衡計算により作動温度２６０℃を満足するＳｎを基金属とした合金の組成幅を算出した。

当該合金の組成の範囲は、Ｓｂが８．０〜１２．５質量％、Ａｇが０〜６．０質量％、Ｃｕが０〜１．５質量％である。残部は、基金属であるＳｎと、不可避元素と、で構成されている。

尚、前述した背景技術において溶栓はサプレッションプールの水を注水すると説明したが、水源が溶栓より高い位置に有れば水頭圧により注水は可能であることから、水源が図１と異なっていても溶栓に低融点金属が適用できることは言うまでもない。

本発明によれば、原子力発電所の事故事象に伴う雰囲気温度に対し適切な挙動をする溶栓を得ることができる。これにより、ＲｏＨＳ指令の今後の厳重化への対応が可能となる。そして、信頼性が高く、環境を考慮したクリーンな原子力発電所を提供することができる。

１：原子炉格納容器、２：原子炉圧力容器、３：非常用注水系統、４：燃料集合体、５：サプレッションプール、６、１０：溶栓、１１：フランジ、１２：パイプ、１４：小径部、１６：大径部、２２：鋼板、２４：フッ素樹脂板、２６：樹脂板、３１：水、３２：低融点金属。

Claims

原子炉格納容器の内部であって原子炉圧力容器の外部に設置され、
温度の上昇に伴い溶融する低融点金属で構成されたプラグを有し、
前記低融点金属は、鉛以外の元素を基金属とする、温度応動弁。
前記低融点金属は、Ｓｂ：８．０〜１２．５質量％、Ａｇ：０〜６．０質量％及びＣｕ：０〜１．５質量％を含み、残部がＳｎ及び不可避元素である、請求項１記載の温度応動弁。
前記低融点金属は、２００℃未満では固体状態であり、かつ、２６０℃では液体状態である、請求項１又は２に記載の温度応動弁。
原子炉格納容器と、原子炉圧力容器と、低融点金属で構成されたプラグを有する温度応動弁と、を備え、
前記温度応動弁は、前記原子炉格納容器の内部であって前記原子炉圧力容器の外部に設置され、
前記低融点金属は、温度の上昇に伴い溶融するものであり、鉛以外の元素を基金属とする、原子力発電プラント。
前記低融点金属は、Ｓｂ：８．０〜１２．５質量％、Ａｇ：０〜６．０質量％及びＣｕ：０〜１．５質量％を含み、残部がＳｎ及び不可避元素である、請求項４記載の原子力発電プラント。
前記低融点金属は、２００℃未満では固体状態であり、かつ、２６０℃では液体状態である、請求項４又は５に記載の原子力発電プラント。
原子炉格納容器の内部であって原子炉圧力容器の外部に設置され、温度の上昇に伴い作動する温度応動弁に用いられ、
鉛以外の元素を基金属とする、温度応動弁用低融点金属。
Ｓｂ：８．０〜１２．５質量％、Ａｇ：０〜６．０質量％及びＣｕ：０〜１．５質量％を含み、残部がＳｎ及び不可避元素である、請求項７記載の温度応動弁用低融点金属。
２００℃未満では固体状態であり、かつ、２６０℃では液体状態である、請求項７又は８に記載の温度応動弁用低融点金属。