JP3308766B2 - 原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属の表面に存在する
表面引張残留応力の改善方法に係わり、特に、原子炉圧
力容器内構造物の表面の引張残留応力の改善に好適な原
子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法とその装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、原子炉圧力容器内構造物に用い
るオーステナイトステンレス鋼等の金属材料は、原子炉
の高温水中に置かれた場合、その溶接部またはその近傍
において応力腐食割れ（以下、ＩＧＳＣＣと略す）が発
生することが知られている。

【０００３】ＩＧＳＣＣは、材料の鋭敏化，引張応力，
腐食環境の三因子が重畳した条件下で発生する。材料の
鋭敏化は、溶接熱などによって結晶粒界にＣｒ炭化物が
析出する結果、粒界の極近傍部にＣｒ欠乏層が形成され
てこの粒界近傍Ｃｒ欠乏部が腐食に対し鋭敏になること
（鋭敏化という）によって起こる。引張応力は、外力に
よる応力と溶接・加工によって材料表面に発生する引張
残留応力とが重畳することによって発生する。腐食環境
は、溶存酸素を含む高温水によって生じる。ＩＧＳＣＣ
はこれらの３因子の中から１つの因子を取り除くことに
より防止できる。

【０００４】このＩＧＳＣＣを防止するために、引張応
力の発生の原因となる材料表面の残留応力を改善する公
知技術例として、例えば以下のものがある。

【０００５】特開昭62−63614 号公報 この公知技術は、熱交換器等の管の内部に高圧水ショッ
トピーニング装置を挿入し、回転ノズル部から高圧液体
ジェットを噴出してピーニングを行うことにより、管の
引張残留応力を圧縮残留応力に転化するものである。

【０００６】特開平5−78738号公報 この公知技術は、原子炉圧力容器内構造物の表面を水中
でウォータージェットを用いてピーニングすることによ
り、構造材表面の引張残留応力を効果的に圧縮残留応力
に転化するものである。

【０００７】特開昭53−21021 号公報 この公知技術は、オーステナイト系ステンレス鋼管の外
周にコイルを設けて加熱した後、管内面に冷却水を噴出
して急冷することにより、管内表面の引張残留応力を圧
縮残留応力に転化するものである。

【０００８】特開昭60−258409号公報 この公知技術は、金属材料の表面に低温の小球等を高速
で吹き付けてショットピーニングを行うことにより、材
料表面の引張残留応力を圧縮残留応力に転化するもので
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
知技術には以下の課題が存在する。

【００１０】すなわち、公知技術は、大気中において
ノズルから噴出するウォータージェットを材料表面に当
ててその衝突動圧でピーニングを行うものである。した
がって水中で処理する必要のある原子炉圧力容器内構造
物の場合には、金属表面に到達するまでに、周囲水の抵
抗によって噴流が拡散し流速が低下してしまうので、ピ
ーニング効果を有効に得ることができない。よって原子
炉圧力容器内構造物へ適用するのが困難であった。

【００１１】また公知技術においては、ウォータージ
ェットの水撃作用によってのみピーニングを行うことか
ら、キャビテーションを発生させるだけの極めて大きな
流速が必要であり、よって装置に大馬力のポンプが必要
となる等、大がかりかつ複雑な構成となり好ましくなか
った。

【００１２】さらに公知技術は、配管が適用対象であ
って対象物の外周に加熱コイルを巻き付ける構成である
ので大型構造物には適用できず、よって原子炉圧力容器
内構造物の残留応力改善に適用するのは困難であった。

【００１３】また公知技術は、水中で小球等を吹き付
けるのは上記同様周囲水の抵抗により困難であり、ま
た炉内で作業を行う場合に吹き付けた小球等を回収する
ことが非常に面倒であるので原子炉圧力容器内構造物へ
の適用は困難であった。

【００１４】本発明の第１目的は、熱衝撃ひずみを利用
することにより、簡易な構成で原子炉圧力容器内構造物
の残留引張応力を改善できる原子炉圧力容器内構造物の
残留応力改善方法を提供することであり、第２目的はそ
の方法を実施するに好適な装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記第１目的を達成する
ために、本発明の方法は、炉水が入れられた原子炉圧力
容器内で前記炉水中に浸漬されている炉内構造物表面の
第１の領域に対し、前記炉水及び前記炉内構造物のいず
れの温度よりも低温の水流（高速噴出水流）によるウォ
ータージェットをノズルから噴出させ水中環境下で当て
ることにより前記第１の領域の表面層を冷却する第１の
手順と、前記第１の領域に対する前記ウォータージェッ
トの当たりを停止する第２の手順とを有する。

【００１６】好ましくは、前記第２の手順は、前記ウォ
ータージェットを噴出しつつ前記ノズルを移動すること
により、前記ウォータージェットを前記原子炉圧力容器
内構造物表面の第２の領域に当てる手順である。

【００１７】また好ましくは、前記第２の手順は、前記
ノズルからの前記ウォータージェットの噴出を停止する
手順である。

【００１８】さらに好ましくは、前記ウォータージェッ
トの前記ノズルからの噴き出し初速度は１００ｍ／ｓ以
上７００ｍ／ｓ以下である。

【００１９】さらに好ましくは、前記ウォータージェッ
トの前記ノズルからの噴き出し初速度は２００ｍ／ｓ以
上４００ｍ／ｓ以下である。

【００２０】さらに好ましくは、前記ウォータージェッ
トの前記ノズルからの噴き出し初速度は２５０ｍ／ｓ以
上３５０ｍ／ｓ以下である。

【００２１】さらに好ましくは、前記ウォータージェッ
トの水源として、原子炉水を冷却した低温水を昇圧して
用いる。

【００２２】さらに好ましくは、前記ウォータージェッ
トの水源として、原子炉外の低温水を昇圧して用いる。

【００２３】さらに好ましくは、前記ウォータージェッ
トの水源として、原子炉外の低温純水を昇圧して用い
る。

【００２４】さらに好ましくは、キャビテーション気泡
を内包する前記ウォータージェットを用いて前記第１の
領域のピーニングによる応力改善を行う。

【００２５】さらに好ましくは、前記ノズルは、高圧水
流入方向と高速水流の噴出方向とが所定の角度を有する
エルボ型ノズルである。

【００２６】さらに好ましくは、原子炉圧力容器内に接
続されたポンプを用いて前記原子炉圧力容器内と前記ポ
ンプとの間で炉水を循環させることにより前記原子炉圧
力容器内の炉水の温度を調整する。

【００２７】さらに好ましくは、炉水の温度を４０℃〜
８０℃に調整する。

【００２８】上記第２目的を達成するために、本発明の
装置は、上記方法に使用する装置であって、前記ウォー
タージェットとして用いる水を冷却する冷却手段と、前
記冷却手段で冷却した前記水を貯めるタンクと、前記タ
ンク内の前記水を昇圧する昇圧手段と、前記昇圧手段で
昇圧した前記水を前記ウォータージェットとして噴射す
るノズルと、前記ノズルを移動する駆動装置とを備え
る。

【００２９】

【作用】一般に、原子炉圧力容器内構造物には、機械加
工や溶接等により降伏応力に近い引張残留応力が始めか
ら存在していることが多い。

【００３０】本発明においては、第１の手順で、この引
張応力残留状態の原子炉圧力容器内構造物表面の第１の
領域に対し、低温の高速噴出水流によるウォータージェ
ットを当てさせて冷却を行うことにより、この第１の領
域において、ウォータージェットがあたっている表面層
のみが低温となり表面層直下との間に過渡的な温度差Δ
Ｔが発生する。よって、この表面層に引張の熱衝撃応力
が加わって引張ひずみが生じるとともに、表面層が部分
的に降伏する。そして、第２の手順で、第１の領域に対
するウォータージェットの当たりが停止されすなわち冷
却が終了されて昇温されることにより、この温度差ΔＴ
がなくなり熱衝撃応力が消失するので、原子炉圧力容器
内構造物の第１の領域の表面層は部分的降伏状態から弾
性的に変形が戻り、引張応力が緩和された状態若しくは
圧縮残留応力状態に改善される。また、第２の手順で、
ウォータージェットを噴出しつつノズルを移動し、原子
炉圧力容器内構造物表面の第１の領域とは別の第２の領
域にウォータージェットを当てさせることにより、ノズ
ルからのウォータージェットの噴出を停止することな
く、第１の領域を昇温させる第２の手順を実現できる。

【００３１】さらに、第２の手順で、ノズルからのウォ
ータージェットの噴出を停止することにより、ノズルを
移動させることなく、第１の領域を昇温させる第２の手
順を実現できる。

【００３２】また、ウォータージェットのノズルからの
噴き出し初速度は１００ｍ／ｓ以上７００ｍ／ｓ以下で
あることにより、冷却における熱伝達率が高くなって急
冷効果が高められ、十分な残留応力改善効果を得ること
ができる。

【００３３】さらに、ウォータージェットのノズルから
の噴き出し初速度は２００ｍ／ｓ以上４００ｍ／ｓ以下
であることにより、原子炉圧力容器内構造物から剥離し
たスケールが研削作用をなして有害効果をもたらす可能
性が少なく、かつ噴射反力や放射性環境の影響を考えて
も高圧ホース・高圧ポンプ等装置の十分な信頼性・耐久
性を得ることができる。

【００３４】また、ウォータージェットのノズルからの
噴き出し初速度は２５０ｍ／ｓ以上３５０ｍ／ｓ以下で
あることにより、ノズルの操作性及び高圧ホース引き回
しにおける取扱い性が良好となる。

【００３５】さらに、ウォータージェットの水源とし
て、原子炉水を冷却した低温水を昇圧して用いることに
より、改善処理作業中の炉水量がほぼ一定に保たれる。

【００３６】また、ウォータージェットの水源として、
原子炉外の低温水を昇圧して用いることにより、ウォー
タージェットへの低温水供給手段を実現することができ
る。さらに、ウォータージェットの水源として、原子炉
外の低温純水を昇圧して用いることにより、作動水の添
加そのものによって高温炉水が汚れることがない。よっ
て炉水の汚染を最小にしつつウォータージェットへの低
温水供給手段を実現することができる。

【００３７】また、ウォータージェットは、キャビテー
ション気泡を内包する高速ジェット水であることによ
り、高速乱流が生じて冷却効果が高まるので、より高い
熱衝撃応力を発生させ、残留応力改善効果を高めること
ができる。さらにこのキャビテーション気泡が表面に当
たって崩壊する際に高圧力を発生し、原子炉圧力容器内
構造物の表面に面圧応力を誘起する。よって、ウォータ
ージェットによる熱的な残留応力改善効果に、いわゆる
ピーニングによる残留応力改善効果が加わり、最も高い
残留応力改善効果を得ることができる。

【００３８】さらに、ノズルは、高圧水流入方向と高速
水流の噴出方向とが所定の角度を有するエルボ型ノズル
であることにより、狭い空間での作業においても原子炉
圧力容器内構造物表面に対しできるだけ直交して当たる
噴流とすることができ、より高い熱衝撃応力を発生させ
ることができる。

【００３９】さらに、炉水をポンプで原子炉圧力容器と
の間で循環させることにより稼働中のポンプの発熱が循
環中の炉水に伝わり、その炉水を昇温する作用が得ら
れ、ノズルから噴出する流体の水温との差温を拡大して
より高い熱衝撃応力を発生させることができる。

【００４０】さらに、前述のポンプによる炉水の昇温で
炉水を４０℃〜８０℃に調整してノズルから噴出する流
体の水温との差温を自然では得られにくいほどに拡大し
てより高い熱衝撃応力を発生させることをコントロール
された確実なものとする。

【００４１】本発明の装置によれば、本発明の方法を実
施するのに適した装置が提供される。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図８により説
明する。

【００４３】まず、本発明の原理を示すための実施例を
図２により説明する。すなわち、本発明は、原子炉圧力
容器内構造物表面に低温高速ウォータージェットを衝突
させることにより、引張熱衝撃応力を発生させて残留応
力を改善する方法である。この方法の原理を、図２に示
す装置を参照して説明する。

【００４４】図２において、高温槽３の中に４０℃〜１
００℃の高温水２が満たされており、この高温水２に水
没して金属体１がセットされている。また高温水２中に
は水没してノズル４が設けられており、高圧ポンプ５で
昇圧された低温（例えば２０℃）の冷水６が導管７を介
しノズル４に導かれ、このノズル４から高速水流による
冷水ジェット８が噴射されて金属体１の表面に衝突す
る。そして、このようにして冷水ジェット８を噴射しつ
つ、ノズル４を金属体１の表面に沿って図示水平方向
（図示矢印参照）に移動させていく。

【００４５】次に、本実施例の残留応力改善作用を図３
を用いて説明する。図３は、金属体１の応力σ−ひずみ
ε曲線である。縦軸の応力は上方が引張応力、下方が圧
縮応力を表し、横軸のひずみは右方向が引張ひずみ、左
方向が圧縮ひずみを表す。

【００４６】一般に、機械加工や溶接等により、金属体
１の表面には降伏応力程度の引張残留応力が存在してい
ることが多い。この初期状態は図３の応力−ひずみ曲線
上では点で表される。

【００４７】そして、金属体１の表面層は始め高温水２
と同温度であるが、冷水ジェットにより衝突される一定
の領域（以下適宜、衝突領域という）は、上記のように
冷水ジェット８で急冷されることにより表面層直下との
間に過渡的な温度差ΔＴを発生する。そしてこの表面層
と表面層直下との温度差ΔＴにより、表面層に熱衝撃に
よる引張応力Δσと引張ひずみΔεとが発生する。この
ときの引張応力Δσ及び引張ひずみΔεはそれぞれ、 Δε＝｛α×ΔＴ／（１−ν）｝×Ｆ Δσ＝Ｅ×Δε α：線膨張係数 ν：ポアソン比 Ｆ：ひずみ拘束度係数（この場合Ｆ≒１） Ｅ：縦弾性係数 で表される。ここで例えば原子炉点検時における残留応
力改善作業を想定した場合、オーステナイトステンレス
鋼又はインコネルの物性を考慮して線膨張係数α＝１７
×１０^-6，ポアソン比ν＝０.３ ，ひずみ拘束度係数Ｆ
＝１，Ｅ＝２×１０⁵ＭＰａ とし、また点検時の炉水に
おける比較的高い水温を考慮してΔＴ＝６０℃とする
と、発生する引張応力Δσ≒３００ＭＰａとなり、また
引張ひずみΔε≒０.１５％ となる。

【００４８】このとき金属体１に加工等による初期残留
応力が存在しなければ、金属体１に約３００ＭＰａの熱
衝撃応力がそのまま発生することになるが、前述のよう
に既に降伏応力に近い引張応力が残留している場合は、
Δε≒０.１５％ のひずみが加わる一方で表面層は部分
的に降伏するので応力はそれほど高くはならず、すなわ
ち図３において点から点へと移動する。

【００４９】その後、冷水ジェット８の衝突により急冷
された金属体１の衝突領域が再び高温水２と同じ温度に
昇温されることにより、過渡的に生じた温度差ΔＴは消
失する。よって先に発生した熱衝撃応力が消失し、金属
体１表面層の衝突領域は部分的降伏状態から弾性拘束に
より弾性的に変形が戻り、図３においてからへと移
動する。

【００５０】すなわち、本実施例の残留応力改善方法に
おいては、以上の原理により、はじめの引張残留応力
状態であったものを、の圧縮残留応力状態に改善する
ことができる。

【００５１】なお、冷水ジェット８があまり低温でなく
表面層と表面層直下との過渡的温度差ΔＴが比較的低い
場合であっても、その値に応じて図３における点→点
→点のように変化させることができ、初期の引張残
留応力状態である点の状態からより引張応力の小さい
の状態へと改善することができる。

【００５２】また、上記実施例においては通常のノズル
４を用いたが、これに代わって例えばキャビテーション
を促進するタイプのノズルを用いてもよい。このタイプ
のノズルとしては、特開平4−362124 号公報に一例が示
されており、本発明においても採用できる。

【００５３】キャビテーションを促進するタイプのノズ
ルを用いた例を図４により説明する。図２と同等の部材
には同一の符号を付す。

【００５４】図４において、図２に示された原理を示す
実施例と異なる点は、導管７の先にノズル４でなくキャ
ビテーションを促進するタイプのノズル１８（例えばジ
ェット水噴き出し形状が末広がりのホーン型ノズル）を
設け、これによりキャビテーション気泡を内包する冷水
キャビテーション噴流１９を噴射することである。その
他の構成は図２の実施例と同様である。

【００５５】以上のように構成した本実施例によれば、
キャビテーション気泡を内包する冷水キャビテーション
噴流１９を用いるので、高速乱流が生じて冷却効果が高
まってより高い熱衝撃応力が発生し、残留応力改善効果
を高めることができる。またこのキャビテーション気泡
が表面に衝突して崩壊する際に高圧力を発生し、金属体
１の表面に面圧応力を誘起するので、熱的な残留応力改
善効果に、いわゆるピーニングによる残留応力改善効果
が加わり、最も高い残留応力改善効果を得ることができ
る。

【００５６】次に、上記原理に基づく本発明の第１の実
施例を図１及び図５並びに図６により説明する。本実施
例は、上記原理に基づき沸騰水型原子炉の炉心シュラウ
ドの残留応力の改善を行う実施例である。

【００５７】まず、本実施例による原子炉圧力容器内構
造物の残留応力改善方法を行うのに先立ち、原子炉２１
の圧力容器９の上蓋が外されて図示しない蒸気乾燥器・
気水分離器・燃料集合体が順次撤去され、上部格子板１
０の上まで完全に高温（４０℃〜１００℃）、好ましく
は炉水が沸騰して炉水中の残留応力改善作業の監視等、
作業がしにくくなるのを防止、あるいは後述の再循環ポ
ンプに無理がかから無いようにするために、余裕を持た
せて４０℃〜８０℃、の炉水１１で水没状態とする。こ
の状態を図５に示す。

【００５８】またこの炉水１１の温度は、以下のように
高温とする。

【００５９】図１のごとく、原子炉圧力容器内の炉水を
ノズルＡから再循環配管Ｂを通して再循環ポンプＣで吸
込み、原子炉圧力容器内のジェットポンプＤに供給し、
そのジェットポンプＤの出口Ｅから原子炉圧力容器内に
吹き出し、炉水は図１の点線矢印のように流動する。

【００６０】このように原子炉圧力容器内と再循環ポン
プとの間で炉水を循環しているうちに、再循環ポンプの
稼働中における摩擦に基づく発熱が炉水に伝わり、炉水
を昇温する。

【００６１】その再循環ポンプの駆動時間や駆動動力を
制御することにより炉水の温度をコントロールする。

【００６２】再循環ポンプの代わりに原子炉圧力容器内
と循環流路を構成する他のポンプを駆動してポンプの摩
擦熱で炉水水温を調整することであってもよいが、再循
環ポンプを炉水の昇温の為に使用すれば、再循環ポンプ
自体が原子炉圧力容器に最初から付随しているから、新
たにポンプを用意したり、加熱器を原子炉圧力容器内に
用意する必要が無くて残留応力改善作業が容易である。

【００６３】次に、原子炉２１外に設けられた低温水タ
ンク１２及び高圧ポンプ１５に導管１７を介し接続され
たノズル１４を、図示しない駆動機構で圧力容器９内に
導入し、炉心シュラウド１３の所定の位置に対向するま
で移動させる。この駆動機構は、例えば特開平5−78738
号公報に記載のウォータージェットピーニング装置の構
成と同様のものであり、すなわち、圧力容器９の上部に
設けられ圧力容器９の周方向に移動自在な周方向移動台
車と、その周方向移動台車の上面に設けられ圧力容器９
の径方向に移動自在な径方向移動台車と、径方向移動台
車に吊設され複数段に分割されて上下方向に伸縮するマ
ストとを有しており、ノズル１４はそのマストの再下端
に取り付けられている。

【００６４】また特に図示しないが、導管１７も例えば
この駆動機構のマスト同様に分割された構造となってお
り、上下方向又は径方向に伸縮可能である。

【００６５】このような駆動機構及び導管１７の構成に
より、導管１７の高圧ポンプ１５への接続を維持しつ
つ、ノズル１４は圧力容器９の径方向・上下方向へ移動
され圧力容器９内の所定の位置へスムーズに導入され
る。

【００６６】次に、低温水タンク１２の冷水（例えば２
０℃）を高圧ポンプ１５で昇圧して導管１７に供給し、
これをノズル１４から高速の冷水ジェット８として高温
の炉水１１中の炉心シュラウド１３の所定の場所に衝突
させる。この状態を図１に示す。

【００６７】このとき、冷水ジェット８と炉心シュラウ
ド１３表面層との熱伝達率を高くして急冷効果を高め、
十分な残留応力改善効果を得るために、冷水ジェット８
の噴射速度は１００ｍ／ｓ以上が好ましく、かつ高圧ポ
ンプ１５の性能上の制限により７００ｍ／ｓ以下が好ま
しい。

【００６８】さらに、冷水ジェット８がある程度高速と
なると炉心シュラウド１３からスケールが剥離しこのス
ケールが研削作用をなして有害効果をもたらす可能性が
あること、及び噴射反力・放射線環境の厳しさから高圧
ホース・高圧ポンプ等の装置の信頼性・耐久性に十分な
余裕を見込む必要があること、を考慮すると冷水ジェッ
ト８の噴射速度は２００ｍ／ｓから４００ｍ／ｓが好ま
しい。

【００６９】またさらにノズルの操作性・高圧ホースの
引き回しの取扱い性を考慮すると２５０ｍ／ｓから３５
０ｍ／ｓが最も好ましい。

【００７０】その後、このノズル１４からの冷水ジェッ
ト８の噴出を継続したまま、前述した図示しない駆動機
構によりノズル１４を上下方向に移動させ、ノズル１４
を往復させて同一の場所について複数回繰り返し冷水ジ
ェット８を衝突させる。ノズル１４が下方に移動した状
態を図６に示す。またこのときの移動方向は上下方向で
なく径方向又は周方向であってもよく、あるいは上下方
向移動と径方向移動又は周方向移動とを同時に行っても
良い。

【００７１】本実施例によれば、まず、引張応力残留状
態の炉心シュラウド１３表面において冷水ジェット８が
衝突し冷却を行うので、表面層に引張の熱衝撃応力が加
わって引張ひずみが生じるとともに表面層が部分的に降
伏する。その後、ノズル１４が移動されてその部分的に
降伏した表面層には冷水ジェット８が衝突しなくなり、
同時に高温の炉水１１で昇温される。よって表面層に加
わっていた熱衝撃応力が消失するので、この表面層は部
分的降伏状態から弾性的に変形が戻り、引張応力が緩和
された状態若しくは圧縮残留応力状態に改善される。し
たがって応力腐食割れの発生を防止することができる。
そしてこのとき分解・解体をする必要がなく、しかも簡
易な構成で簡単に作業を行うことができる。

【００７２】またこのとき炉心シュラウド１３表面層に
酸化スケール・汚濁物が付着していた場合には、酸化ス
ケール・汚濁物が冷水ジェット８の急冷により収縮して
表面層との境界でせん断ひずみが発生し、これらの剥離
が容易となる。すなわち炉心シュラウド１３表面汚染物
の洗浄を促進することができる。よってこれら酸化スケ
ール等に誘起される隙間加速応力腐食割れ，疲労割れ等
を防止できる。さらに、ノズル１４を往復させて同じ場
所に繰り返して冷水ジェット８の噴出を行うので、洗浄
作用がより一層高められる。

【００７３】なお、上記実施例においては、残留応力の
改善を行う対象である原子炉圧力容器内構造物として、
炉心シュラウド１３を例として挙げたが、これに限られ
るものではなく、他の炉内機器や壁面等にも適用でき
る。

【００７４】また、上記実施例においては、ノズル１４
から噴出される冷水ジェットの温度を２０℃としたが、
これに限られず、炉水１１及び対象となる原子炉圧力容
器内構造物のいずれの温度よりも低温であればよくこの
場合も同様の効果を得るが、温度差が大きいほど熱衝撃
応力による十分な残留応力改善効果が期待できるので、
冷水ジェット８の温度は０℃〜４０℃が好ましい。

【００７５】さらに、上記実施例においては、ノズル１
４から冷水ジェット８を噴出しつつノズル１４を移動さ
せることにより、冷水ジェット８による表面層の急冷と
その後の炉水１１による表面層の昇温を実現したが、こ
れに限られず、例えば導管１７に開閉可能な弁手段等を
設け、ノズル１４を固定したままこの弁手段を閉じ状態
とすることによりノズル１４からの冷水ジェット８の噴
出を停止させてもよく、この場合も同様の効果を得る。
この方法は、例えば複数個のノズル１４を設け、対象と
なる原子炉圧力容器内構造物の広い範囲にわたって残留
応力改善を一度に又は短期間に行う場合に特に好適であ
る。

【００７６】また、上記実施例においては、導管１７の
先に通常のノズル１４を設けたが、図４に示した変形例
におけるキャビテーションを促進するタイプのノズル１
８を用いることもでき、この場合前述したように最も高
い残留応力改善効果を得ることができるとともに、表面
汚染物の洗浄効果についても、最も高い効果を得ること
ができる。

【００７７】本発明の第２の実施例を図７により説明す
る。本実施例は、冷水ジェットの水に純水を使用する場
合の実施例である。

【００７８】本実施例の残留応力の改善方法における、
冷水ジェットを噴出させる手順を図７に示す。第１の実
施例と同等の部材には同一の符号を付す。

【００７９】図７において、第１の実施例で図１に示し
た手順と異なる点の１つは、低温水タンク１２の代わり
に低温純水タンク２８を設け、これによって作動水とし
て純水を使用することである。すなわち、低温純水タン
ク２８内の純水は高圧ポンプ１５で昇圧されて、導管１
７を介しノズル１４から高速の純水冷水ジェット１６と
して噴出する。

【００８０】また図７において図１と異なるもう１つの
点は、剥離した酸化スケールや汚濁物を吸い上げる吸引
ホース２７を設けたことである。この吸引ホース２７
は、ノズル１４と同様の図示しない駆動機構により又は
ノズル１４の駆動機構により圧力容器９内に導入され、
ノズル１４と同様に上下方向・径方向に移動可能であ
る。また吸引ホース２７は、圧力容器９外において図示
しない汚染物処理装置に接続されており、吸引された酸
化スケール等はこの汚染物処理装置において処理され
る。なお吸引ホース２７で吸引しきれなかったものは、
原子炉２１に備付けられた図示しない浄化装置で炉水循
環処理される。

【００８１】上記以外の構成及び手順は第１の実施例と
ほぼ同様である。

【００８２】本実施例によれば、作動水に純水を用い純
水冷水ジェット１６をノズル１４から噴出するので、作
動水の添加そのものによっては炉水１１が汚れることは
ない。よって炉水の汚染を最小限に抑えることができ
る。

【００８３】なお、上記実施例においては、低温純水タ
ンク２８を設けたが、これを設けず、炉水補給その他の
作業のために原子力プラントに備えらている純水貯水タ
ンクから分岐する配管を設けこの配管を介し純水を得る
構成でも良く、この場合別途タンクを設ける必要がない
という効果がある。またこの純水貯水タンク内の純水の
温度は約２０℃であるので、そのまま純水冷水ジェット
１６の作動水に用いるのに好適である。

【００８４】また、上記実施例においては、作動水に原
子炉外の水を用いたが、これに代わって原子炉水を用い
ても良い。この変形例を図８を用いて説明する。図７と
同等の部材には同一の符号を付す。

【００８５】図８において、図７に示した第２の実施例
と異なる点は、吸引ホース２７が、吸引ポンプ３１を介
して、汚染物と純水とを分離する浄化装置３２及び冷却
器３３に接続され、さらに炉水冷水タンク２９に接続さ
れていることである。すなわち、吸引ホース２７から吸
引された炉水は、浄化装置３２で汚染物が分離されて浄
化され冷却器３３で冷却された後、炉水冷水タンク２９
に供給される。炉水冷水タンク２９内の炉水は高圧ポン
プ１５で昇圧されて、導管１７を介しノズル１４から高
速の炉水冷水ジェット３０として噴出する。なお浄化装
置３２で分離された汚染物は、図示しない汚染物処理装
置に送られて処理される。

【００８６】本変形例によれば、第２の実施例同様、作
動水の添加によって炉水１１が汚れることがない。また
炉水冷水ジェット３０と高圧ポンプ１５への供給水とが
閉ループとなることから原子炉内の炉水１１がほぼ一定
に保たれるので、処理終了時の炉内水位調整がほとんど
不要となるか、若しくは著しく簡略化できる。また冷却
器３３を設けたので、温度差Δを大きくすることがで
き、大きな残留応力改善効果を得ることができる。

【００８７】本発明の第３の実施例を図９により説明す
る。本実施例は、ノズルとしてエルボ型ノズルを用いる
場合の実施例である。

【００８８】本実施例の残留応力の改善方法における、
冷水ジェットを噴出させる手順を図９に示す。第１及び
第２の実施例と同等の部材には同一の番号を付す。

【００８９】図９において、第１の実施例と異なる点
は、導管１７を介した冷水の流入方向（図示下方向の矢
印参照）と高速の冷水ジェット２５の噴出方向が角度θ
をなすエルボ型ノズル２４を用い、例えば図示するよう
な円筒状部材３４内の狭い空間２６においても作業可能
としたことである。その他のノズル以外の構成及び手順
等は第１の実施例とほぼ同様である。

【００９０】本実施例によれば、ノズルとしてエルボ型
ノズル２４を用いるので、スペースの広いところのみな
らず、狭い空間２６における作業においても冷水ジェッ
ト２５を原子炉圧力容器内構造物表面に対して直交衝突
噴流とすることができる。よって、より高い熱衝撃応力
を発生させることができ、残留応力改善効果と洗浄効果
とを高めることができる。

【００９１】なおθは１８０°から９０°まで、作業す
る空間２６の狭隘の程度に応じて選ばれるが、より高い
残留応力改善効果と洗浄効果とを得る観点から９０°が
望ましい。

【００９２】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、次の効果が得
られる。即ち、第１の手順で、この引張応力残留状態の
原子炉圧力容器内構造物表面の第１の領域に対し、低温
の高速噴出水流によるウォータージェットを当てさせて
冷却を行うので、表面層に引張の熱衝撃応力が加わって
引張ひずみが生じるとともに表面層が部分的に降伏す
る。そして、第２の手順で、第１の領域に対するウォー
タージェットの当たりが停止されすなわち冷却が終了さ
れて昇温されるので、熱衝撃応力が消失して原子炉圧力
容器内構造物の第１の領域の表面層は部分的降伏状態か
ら弾性的に変形が戻り、引張応力が緩和された状態若し
くは圧縮残留応力状態に改善される。よって応力腐食割
れの発生を防止することができる。またこのとき表面層
に酸化スケール・汚濁物が付着していた場合には、酸化
スケール・汚濁物が急冷により収縮して表面層との境界
でせん断ひずみが発生しこれらの剥離が容易となるの
で、原子炉圧力容器内構造物表面汚染物の洗浄を促進す
ることができる。よってこれら酸化スケール等に誘起さ
れる隙間加速応力腐食割れ，疲労割れ等を防止できる。
そしてこのとき作業対象の原子炉機器の分解・解体をす
る必要がなく、しかも簡易な構成で簡単に作業を行うこ
とができる。

【００９３】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
による効果に加えて、ノズルを移動することによりノズ
ルからの噴流の当たる位置が移動して第２手順が施さ
れ、更にはその移動先である次の部位に対する残留応力
改善作業の第１手順が間断無く行える効果が得られる。

【００９４】請求項３の発明によれば、請求項１の発明
による効果に加えて、ノズルからの噴流を停止すること
により簡単に残留応力改善作業の第２手順が達成でき
る。

【００９５】請求項４の発明によれば、請求項１，２，
３のいずれか一項の発明による効果に加えて、ウォータ
ージェットのノズルからの噴き出し初速度は１００ｍ／
ｓ以上７００ｍ／ｓ以下であるので、冷却における熱伝
達率が高くなって急冷効果が高められ、十分な残留応力
改善効果を得ることができる。よって、十分な残留応力
改善効果を得ることができる。

【００９６】請求項５の発明によれば、請求項１，２，
３のいずれか一項の発明による効果に加えて、請求項４
の発明で得られる効果を得る際にあたり、さらに、ウォ
ータージェットのノズルからの噴き出し初速度は２００
ｍ／ｓ以上４００ｍ／ｓ以下であるので、原子炉圧力容
器内構造物から剥離したスケールが研削作用をなして有
害効果をもたらす可能性が少なく、かつ噴射反力や放射
性環境の影響を考えても、高圧ホース・高圧ポンプ等装
置の十分な信頼性・耐久性を得ることができる。

【００９７】請求項６の発明によれば、請求項１，２，
３のいずれか一項の発明による効果に加えて、請求項
４，５の発明で得られる効果を得る際にあたり、ウォー
タージェットのノズルからの噴き出し初速度は２５０ｍ
／ｓ以上３５０ｍ／ｓ以下であるので、ノズルの操作性
及び高圧ホース引き回しにおける取扱い性が良好とな
る。

【００９８】請求項７の発明によれば、請求項１〜６の
いずれか一項の発明による効果に加えて、ウォータージ
ェットの水源として、原子炉水を冷却した低温水を昇圧
して用いるので、改善処理作業中の炉水量がほぼ一定に
保たれ、改善処理終了後の炉内水位調整がほとんど不要
となるか若しくは著しく簡略化できる。

【００９９】請求項８の発明によれば、請求項１〜６の
いずれか一項の発明による効果に加えて、ウォータージ
ェットの水源として、原子炉外の低温水を昇圧して用い
るので、原子炉水を用いるのに比べて原子炉水の汲み上
げ系統と汲み上げた原子炉水による放射能汚染対策設
備、並びにその放射線汚染した設備の廃棄作業量が減少
する効果が得られる。

【０１００】請求項９の発明によれば、請求項１〜６の
いずれか一項の発明による効果に加えて、ウォータージ
ェットの水源として、原子炉外の低温純水を昇圧して用
いるので、作動水の添加そのものによって原子炉圧力容
器内の高温炉水が汚れることがない。よって炉水の汚染
を最小限に抑えることができる。このとき炉水補給その
他の作業のために原子力プラントに備えられている純水
貯水タンクを流用することができ、この場合、別途低温
水供給手段を設ける必要がない。

【０１０１】請求項１０の発明によれば、請求項１〜９
のいずれか一項の発明による効果に加えて、ウォーター
ジェットは、キャビテーション気泡を内包する高速ジェ
ット水であるので、高速乱流が生じて冷却効果が高まる
ので、より高い熱衝撃応力を発生させ、残留応力改善効
果を高めることができる。またこのキャビテーション気
泡が表面に当たって崩壊する際に高圧力を発生し、原子
炉圧力容器内構造物の表面に面圧応力を誘起する。よっ
て、ウォータージェットによる熱的な残留応力改善効果
に、いわゆるピーニングによる残留応力改善効果が加わ
り、最も高い残留応力改善効果を得ることができる。ま
たこのとき原子炉圧力容器内構造物表面汚染物の洗浄に
ついても、最も高い効果を得ることができる。

【０１０２】請求項１１の発明によれば、請求項１〜１
０のいずれか一項の発明による効果に加えて、ノズル
は、高圧水流入方向と高速水流の噴出方向とが所定の角
度を有するエルボ型ノズルであるので、ノズルの向きを
変えられないほどに狭い空間での作業においても原子炉
圧力容器内構造物表面に対しできるだけ直交して当たる
噴流状態に近づけることができ、その表面に高い熱衝撃
応力を発生させることができる。よって残留応力改善効
果・洗浄効果を高めることができる。

【０１０３】請求項１２の発明によれば、請求項１〜１
１のいずれか一項の発明による効果に加えて、ポンプで
炉水を循環することにより炉水温度を高めに調整でき、
且つ循環による撹拌効果で炉水温度の不均一化が抑制で
き、高い熱衝撃応力で確実に残留応力改善効果が得られ
る。

【０１０４】請求項１３の発明によれば、請求項１２の
発明による効果に加えて、炉水温度を沸騰領域に近づけ
ること無く、残留応力改善作業が行いやすい。

【０１０５】請求項１４の発明によれば、請求項１の方
法を実施するのに適した装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による残留応力改善方法
の手順を示す断面図である。

【図２】本発明の原理を示す実施例による残留応力改善
方法の手順を示す断面図である。

【図３】図２に示した金属体の応力−ひずみ曲線図であ
る。

【図４】本発明の原理を示す実施例の変形例による残留
応力改善方法の手順を示す断面図である。

【図５】本発明の第１の実施例による残留応力改善方法
の手順を示す断面図である。

【図６】本発明の第１の実施例による残留応力改善方法
の手順を示す断面図である。

【図７】本発明の第２の実施例による残留応力改善方法
の手順を示す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施例による残留応力改善方法
の手順を示す断面図である。

【図９】本発明の第２の実施例の変形例による残留応力
改善方法の手順を示す断面図である。

【符号の説明】

１…金属体、２…高温水、３…高温槽、４，１４…ノズ
ル、５，１５…高圧ポンプ、６…冷水、７，１７…導
管、８，２５…冷水ジェット、９…圧力容器、１０…上
部格子板、１１…炉水、１２…低温水タンク、１３…炉
心シュラウド、１６…純水冷水ジェット、１８…キャビ
テーションを促進するタイプのノズル、１９…冷水キャ
ビテーション噴流、２１…原子炉、２４…エルボ型ノズ
ル、２６…狭い空間、２７…吸引ホース、２８…低温純
水タンク、２９…炉水冷水タンク、３０…炉水冷水ジェ
ット、３１…吸引ポンプ、３２…浄化装置、３３…冷却
器、３４…円筒状部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 和雄 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 黒沢 孝一 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 林 英策 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 守中 廉 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 服部 成雄 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 佐藤 一教 東京都千代田区大手町二丁目６番２号 バブコック日立株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−79626（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−284790（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−56191（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24C 1/10

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉水が入れられた原子炉圧力容器内で前記
   炉水中に浸漬されている炉内構造物表面の第１の領域に
   対し、前記炉水及び前記炉内構造物のいずれの温度より
   も低温の水流によるウォータージェットをノズルから噴
   出させ水中環境下で当てることにより前記第１の領域の
   表面層を冷却する第１の手順と、 前記第１の領域に対する前記ウォータージェットの当た
   りを停止する第２の手順と、を有することを特徴とする
   原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の原子炉圧力容器内構造物の
   残留応力改善方法において、前記第２の手順は、前記ウ
   ォータージェットを噴出しつつ前記ノズルを移動するこ
   とにより、前記ウォータージェットを前記原子炉圧力容
   器内構造物表面の第２の領域に当てる手順であることを
   特徴とする原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方
   法。
3. 【請求項３】請求項１記載の原子炉圧力容器内構造物の
   残留応力改善方法において、前記第２の手順は、前記ノ
   ズルからの前記ウォータージェットの噴出を停止する手
   順であることを特徴とする原子炉圧力容器内構造物の残
   留応力改善方法。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子
   炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、前記
   ウォータージェットの前記ノズルからの噴き出し初速度
   は１００ｍ／ｓ以上７００ｍ／ｓ以下であることを特徴
   とする原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法。
5. 【請求項５】請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子
   炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、前記
   ウォータージェットの前記ノズルからの噴き出し初速度
   は２００ｍ／ｓ以上４００ｍ／ｓ以下であることを特徴
   とする原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法。
6. 【請求項６】請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子
   炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、前記
   ウォータージェットの前記ノズルからの噴き出し初速度
   は２５０ｍ／ｓ以上３５０ｍ／ｓ以下であることを特徴
   とする原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法。
7. 【請求項７】請求項１〜６のいずれか一項に記載の原子
   炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、前記
   ウォータージェットの水源として、原子炉水を冷却した
   低温水を昇圧して用いることを特徴とする原子炉圧力容
   器内構造物の残留応力改善方法。
8. 【請求項８】請求項１〜６のいずれか一項に記載の原子
   炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、前記
   ウォータージェットの水源として、原子炉外の低温水を
   昇圧して用いることを特徴とする原子炉圧力容器内構造
   物の残留応力改善方法。
9. 【請求項９】請求項１〜６のいずれか一項に記載の原子
   炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、前記
   ウォータージェットの水源として、原子炉外の低温純水
   を昇圧して用いることを特徴とする原子炉圧力容器内構
   造物の残留応力改善方法。
10. 【請求項１０】請求項１〜９のいずれか一項に記載の原
    子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、キ
    ャビテーション気泡を内包する前記ウォータージェット
    を用いて前記第１の領域のピーニングによる応力改善を
    行うことを特徴とする原子炉圧力容器内構造物の残留応
    力改善方法。
11. 【請求項１１】請求項１〜１０のいずれか一項に記載の
    原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、
    前記ノズルは、高圧水流入方向と高速水流の噴出方向と
    が所定の角度を有するエルボ型ノズルであることを特徴
    とする原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法。
12. 【請求項１２】請求項１〜１１のいずれか一項に記載の
    原子炉圧力容器内構造物の残留応力改善方法において、
    原子炉圧力容器内に接続されたポンプを用いて前記原子
    炉圧力容器内と前記ポンプとの間で炉水を循環させるこ
    とにより前記原子炉圧力容器内の炉水の温度を調整する
    ことを特徴とする原子炉圧力容器内構造物の残留応力改
    善方法。
13. 【請求項１３】請求項１２記載の原子炉圧力容器内構造
    物の残留応力改善方法において、炉水の温度を４０℃〜
    ８０℃に調整することを特徴とする原子炉圧力容器内構
    造物の残留応力改善方法。
14. 【請求項１４】請求項１に記載の方法に使用する装置で
    あって、前記ウォータージェットとして用いる水を冷却
    する冷却手段と、前記冷却手段で冷却した前記水を貯め
    るタンクと、前記タンク内の前記水を昇圧する昇圧手段
    と、前記昇圧手段で昇圧した前記水を前記ウォータージ
    ェットとして噴射するノズルと、前記ノズルを移動する
    駆動装置とを備えた原子炉圧力容器内構造物の残留応力
    改善装置。