JP2018501488A - 原子炉炉心の焼きなまし方法と、この方法を利用する原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】液体金属冷却型（ＬＭＣ）原子炉、特に液体金属冷却材（ＨＬＭＣ）を用いた高速中性子炉の稼働の安全性を向上させる。【解決手段】鋼鉄の延性に許容できない劣化を生じさせる高速中性子線量を推定する。原子炉のエネルギー収量が達成された時点で、冷却材の流れを標準の方向から逆方向へ変える。原子炉炉心要素の焼きなましに対して許容時間を設定する。焼きなましモードの温度を設定し、出力レベルを制御してその設定温度を維持することにより、所定時間の経過までに炉心下部の鋼鉄に延性を十分に回復させる。焼きなまし期間の終了時、冷却材の流れを逆方向から標準の方向へ変える。

Description

本発明は原子力工業に関し、特に、放射線にさらされた構造材に延性を回復させる処理に関する。本発明の実施により、原子炉（ＮＲ）の稼働の安全性が向上する。本発明は液体金属冷却型（ＬＭＣ）原子炉、特に、共晶合金、鉛ビスマス、鉛などの液体重金属冷却材（ＨＬＭＣ）を用いた高速中性子炉にうまく導入可能である。

ＨＬＭＣを用いた高速中性子炉の炉心（燃料被覆管、燃料棒グリッド）は耐腐食性フェライト−マルテンサイト二相組織鋼（ＦＭＳ）から成り、ＨＬＭＣにさらされた際の温度が最高で摂氏６５０度に達する。この鋼材にはいくつか、周知の欠点がある。その一つは、１０ｄｐａ（displacements per atom：放射線の照射によって標的原子が格子位置から弾き飛ばされる回数を標的原子１個あたりに換算した値である。燃料の交換周期にわたる照射線量は約１００ｄｐａである。）を超える線量の高速中性子にさらされた場合に現れる低温照射脆化（ＬＴＲＥ）傾向である。低温照射脆化は放射温度が摂氏３５０−３８０度未満の場合に生じ、鋼鉄の延性を消失させる。これにより、製品にはわずかな変形でも脆性破壊が起きうる。この破壊は、炉心内での燃料の補給作業中、および燃料集合体の再配置作業中（燃料の最終的な取り出し作業を含む。）に危険性が高まる。液体重金属（鉛ビスマス）から成る冷却材（ＨＬＭＣ）を用いた船舶用原子炉では、燃料被覆管、中性子吸収材被覆管、および下端の蓋がいずれもフェライト−マルテンサイト二相組織鋼製であるが、これらの損傷は原子炉炉心の稼働中に観察された。したがって、原子炉構造の含む鋼材の脆化には、原子炉の緊急停止につながる恐れがある。

鋼材に延性を回復させるには、照射損傷に対する高温焼きなまし（アニーリング）が利用可能である。この処理は、フェライト−マルテンサイト二相組織鋼の製品を数時間にわたり、最高摂氏約５００度まで加熱する工程を含む。放射線にさらされた燃料集合体の容器に対する焼きなまし用の装置として、特許文献１に開示されたものが知られている。この装置は、冷却材で満たされた容器、穴の開けられた覆い、容器内の処理室、入口管、および出口管から成る。入口管と出口管とは異なる。これは、処理室の設計が複数本の垂直流路と電気ヒーターとを含むからである。これらの垂直流路は上端が開口しており、処理室の上部および下部において相互に接続されている。ヒーターは各流路の中に１台ずつ設置されている。入口管は処理室の上面よりも上に設置され、出口管はヒーターの上端よりも上に設置されている。

稼働状態にある炉心で加熱される冷却材の温度は摂氏約１５０度であり、ＨＬＭＣの平均温度は摂氏約５００度である。したがって、炉心下部は「冷たい」冷却材が流れる間、照射脆化の危険にさらされる。鉛ビスマスをＨＬＭＣとして用いる船舶用原子炉の炉心に対しては、それを取り外す前に焼きなましを行うことを目的とする等温焼きなまし法が提案されている。この方法は高温水素回収（ＨＴＨＲ）法（ＨＬＭＣの流れの中に水素とガスとの混合物を注入することによって余剰の酸化鉛を回収する方法）と同様である。この方法は、乾いた蒸気発生器（ＳＧ）を用いて温度摂氏３００−３２０度のＨＬＭＣに対して実施された（特許文献２、非特許文献１、２参照）。この温度は、１次系再循環ポンプの作動と炉心からの残留エネルギーの放出とにより、炉心の出入口の温度と同一であった。乾いたＳＧによる除熱量がゼロであり、かつＨＬＭＣが大量に消費されたことにより、１次系の動作を摂氏３００−３２０度の範囲で等温状態に保つことができた。ＨＴＨＲ法と同様、この方法の終了時においてシステムは、炉心から放出される残留エネルギーを抽出するモードに切り替わり、１次系再循環ポンプは停止した。（すなわち、その速度が大幅に低下した結果、ＨＬＭＣへ移るエネルギー量が減少した。）蒸気発生器は、外部の供給源から２次系へ、ＨＬＭＣの温度を超える飽和温度に対応する圧力で供給された蒸気が凝結した液で満たされていた。炉心の残留エネルギーの放出が低レベルであることは、ＨＬＭＣを用いた船舶用原子炉の動作状態には典型的であり、その結果、１次系再循環ポンプが停止すると直ちに１次系の熱損失によりＨＬＭＣの温度が急降下した。

ソ連発明者証第１０２３８１７号明細書 国際公開第１９９７／０３５１５６号明細書

Ａ．Ｇ．Ｋａｒａｂａｓｈ、「鉛ビスマス共晶合金を主成分とする液体金属冷却材の化学スペクトル解析および化学工学的原理」、議事録「原子力技術用液体重金属冷却材」（ＴＺｈＭＴ−９８）、１９９９年、オブニンスク、第２巻、ｐ．５９５ Ｋ．Ｄ．Ｉｖａｎｏｖ，Ｙｕ．Ｉ．Ｏｒｌｏｖ，Ｐ．Ｎ．Ｍａｒｔｙｎｏｖ、「第１世代および第２世代の原子力発電施設用鉛ビスマス冷却材に関する技術」、議事録「原子力技術用液体重金属冷却材」（ＴＺｈＭＴ−２００３）、オブニンスク、ロシア州立科学センター、物理エネルギー研究所、２００３年

特許文献１に開示された装置の利用では、原子炉内で直に焼きなましを行うことが妨げられる。
冷却してエネルギー放出量を抑える目的では炉心を長時間停止させることはできないので、特許文献２、非特許文献１、２に開示された等温焼きなまし法の実施は、原子炉の出力に高い設備利用率（ＩＣＵＦ）と残留エネルギーの高レベルでの放出とを維持させたままでは、上述したとおり、その方法の終了時において停止冷却モードへの再移行が困難である。さらに、この停止冷却モードはおそらく危険である。これは、蒸気発生器を乾かした状態で摂氏５００度の等温状態へ移行することが動力学的過程であるという事実に関係している。なぜならば、この過程は、炉心から放出される残留エネルギーのうち１次系の熱損失を超える部分を動力として進むからである。炉心の過熱防止には、この過程が停止冷却モードへ可及的速やかに移行するかが影響する。

本発明の目的は、当該技術分野において周知の技術が有する欠点が除去された炉心焼きなまし方法を開発することである。

以下に示す本発明の特徴が、後述の技術的効果の達成に寄与する。
本発明が提案する炉心の焼きなまし方法は、たとえばＬＭＣ原子炉に適用される。この原子炉は、炉心、および蒸気発生器と電動軸流式の１次系再循環ポンプとを少なくとも１台ずつ備えている。この焼きなまし方法では、鋼鉄、特にフェライト−マルテンサイト二相組織鋼の延性に許容できない劣化を生じさせる高速中性子の線量が推定される。原子炉のエネルギー収量が所定値に達した時点で、冷却材、たとえば液体金属冷却材（ＬＭＣ）の流れを標準の方向（底から上への方向）から逆方向（天井から下への方向）へ変えねばならない。続いて、システムが焼きなましモードに移行する。これは、高温の冷却材、たとえば最低でも摂氏４５０度のＬＭＣが流れる炉心下部には、脆化した鋼鉄要素が含まれるからである。このとき、焼きなましモードの許容時間が、炉心の要素に対して焼きなましを行い、炉心下部の鋼鉄に延性を回復させるのに十分なように設定される。また、所定時間内に炉心下部の鋼鉄に延性を回復させるのに必要な温度以上の温度が設定される。

設定温度が高過ぎた場合、または低過ぎた場合、設定時間が調節されて設定温度が規定値に戻される。必要に応じて原子炉の出力が制御され、かつ冷却材が消費されることにより、設定時間が経過するまで設定温度が維持される。焼きなましの終了時には、冷却材、たとえばＬＭＣの流れが逆方向（天井から下への方向）から標準の方向（底から上への方向）へ変えられる。

本発明が提案する設計によれば、ＬＭＣを用いた原子炉は、炉心、および蒸気発生器と電動軸流式の１次系再循環ポンプとを少なくとも１台ずつ備えている。さらに、再循環ポンプの駆動部は、このポンプを逆転させることが可能であり、かつ回転周波数を制御可能である電源回路を含む。

本発明の実施により、特に以下の技術的効果が達成される。
−原子炉炉心の含む鋼材、特にフェライト−マルテンサイト二相組織鋼部分の照射損傷に対する高温焼きなまし、および、その部分の延性の回復処理に対する安全性が向上する。
−原子炉炉心の含む鋼材、特にフェライト−マルテンサイト二相組織鋼部分の照射損傷の高温焼きなまし、およびそれらの延性の回復処理を原子炉内で直に行うことができる。
−原子炉炉心の含む鋼材、特にフェライト−マルテンサイト二相組織鋼部分の照射損傷の高温焼きなまし、およびそれらの延性の回復処理に関する費用が削減される。
−原子炉炉心の含む鋼材、特にフェライト−マルテンサイト二相組織鋼部分の延性が燃料補給前において高いので、原子炉への燃料補給の過程における事故の危険性が低下する。
−必要であれば、燃料補給時を除く原子炉の稼働中に、炉心の鋼鉄部分の照射損傷に対して高温焼きなましを行い、それらの延性を回復させることができる。

出願人が提案する本発明は、原子炉がＬＭＣ、特にＨＬＭＣ（例えば、鉛ビスマス共晶合金、鉛）を用いる環境下において鋼材に延性を回復させることを目的とする、炉心の工学的材料に対する照射損傷の高温焼きなまし方法に関する。その対象の鋼材には、ＬＭＣにさらされた際の温度が最高摂氏６５０度に達しうる耐腐食性フェライト−マルテンサイト二相組織鋼（ＦＭＳ）が含まれる。

本発明が提案する原子炉炉心の焼きなまし方法は、電動軸流式の冷却材再循環ポンプを備え、かつＬＭＣを用いる原子炉に対して適用される。この原子炉が非等温状態であり、かつその出力が比較的低レベルである場合、軸流ポンプの駆動部の電源回路を切り替えることによってそのポンプの回転方向を変更する。これにより、そのポンプを用いて原子炉炉心に対して高温で焼きなましを行うことができる。ポンプの回転方向の変更は、炉心を通る冷却材の流れの方向を変える。この場合、「冷たい」冷却材が蒸気発生器の下流から炉心の出口へ供給され、摂氏４５０度の熱い冷却材が、脆化した鋼鉄要素を含む炉心下部を流れる。その結果、それらの鋼鉄要素の延性が回復する。この高温焼きなましの実施には蒸気発生器の乾燥は不要であるので、炉心から放出される残留エネルギーは、焼きなましが終了して原子炉が停止する時点で除去される。したがって、この焼きなましは安全である。ポンプが逆転する場合、このポンプの冷却材に触れる部分（wet end）では水力効率が低下するので、冷却材の消費量も、同一の回転数（回転周波数）でこのポンプが正転する場合よりも減少する。これにより、相対消費量を超える相対熱量で焼きなましが行われるので、原子炉の出力が比較的低いレベルで、すなわち安全性が比較的高い環境下で、炉心下部において冷却材の温度が摂氏４５０度に維持される。設計から外れたこの状態は長くは続かないので、ポンプの寿命が短縮することはない。

Claims (5)

1. 炉心、および蒸気発生器と電動軸流式の１次系再循環ポンプとを少なくとも１台ずつ備えた原子炉を対象とする炉心の焼きなまし方法であり、
   鋼鉄の延性に許容できない劣化を生じさせる中性子線量を推定するステップと、
   原子炉のエネルギー収量が所定値である時点で、冷却材の流れを標準の方向（底から上への方向）から逆方向（天井から下への方向）へ変えるステップと、
   高温の冷却材によって脆化した炉心下部の鋼鉄要素に対して焼きなましを開始し、焼きなましモードの許容時間と、所定時間内に炉心下部の鋼鉄要素に延性を回復させるのに十分な温度とを設定するステップと、
   設定温度が高過ぎた場合、または低過ぎた場合、設定時間を再設定して設定温度を規定値に戻すステップと、
   原子炉の出力を制御して、設定時間が経過するまで設定温度を維持するステップと、
   焼きなましの終了時に焼きなましモードを停止して、冷却材の流れを逆方向（天井から下への方向）から標準の方向（底から上への方向）へ変えるステップと
   を備えている方法。
2. 炉心下部を流れる高温の冷却材は、最低でも摂氏４５０度であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記所定時間が経過するまで設定温度を維持する目的で、焼きなましモードにおける冷却材の消費量を制御することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 炉心、および蒸気発生器と電動軸流式の１次系再循環ポンプとを少なくとも１台ずつ備えた液体金属冷却型（ＬＭＣ）原子炉であって、
   １次系は、前記再循環ポンプを逆転させるための電源回路を備えている
   ことを特徴とする原子炉。
5. 前記再循環ポンプは、回転周波数を制御可能な電源回路を含むことを特徴とする請求項４に記載の原子炉。