JP6528926B2 - 原子力施設の回転機器 - Google Patents

Description

本発明は、原子力施設における放射性核種を内包する冷却流体の循環路内に配置される原子力施設の回転機器に関するものである。

従来、上記した原子力施設としては、例えば、特許文献１に記載された原子力プラントがある。
この原子力プラントは、高温ガス炉と熱交換器との間で放射性核種を内包する冷却流体としての一次冷却ヘリウムを循環させる一次冷却回路と、熱交換器と発電設備との間で発電作動流体としての二次冷却ヘリウムを循環させる二次冷却回路を備えている。

この原子力プラントでは、一次冷却回路を循環する一次冷却ヘリウムによって、高温ガス炉で生じる熱を熱交換器に運び、この熱交換器において、二次冷却回路を循環する二次冷却ヘリウムに一次冷却ヘリウムの熱を移動させ、この二次冷却ヘリウムに移動した熱を発電設備に送って発電に供するようになっている。

このような原子力プラントにおいて、通常一次冷却回路にサーキュレータ（回転機器）を配置して、一次冷却ヘリウムを加速して循環させるようになっている。

特開平10-319169号公報

上記した原子力プラントのサーキュレータにおいて、放射性核種を内包する一次冷却ヘリウムと接触する回転翼や翼軸には多結晶合金（通常結晶粒径材）が用いられているので、高温ガス炉と熱交換器との間で一次冷却ヘリウムを循環させるべく運転を重ねるうちに、一次冷却ヘリウムに内包される放射性核種、例えば、銀が回転翼や翼軸を構成する多結晶合金の深部に拡散浸透してしまう。

つまり、従来の原子力プラントにおけるサーキュレータでは、多結晶合金の深部に拡散浸透した銀からのガンマ線等による作業員被曝を防ぐために、補修点検時おいて作業時間の制限を設けたり遠隔装置を使用したりしなければならず、その結果、メンテナンスコストが高いものとなってしまうという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、放射性核種を内包する冷却流体と接触する回転翼や翼軸を構成する材料の深部に放射性核種が拡散浸透するのを防ぐことができ、その結果、メンテナンスコストの低減を実現することが可能である原子力施設の回転機器を提供することを目的としている。

ここで、図５に示すように、材料に対する放射性核種の拡散とは、熱によって材料の原子と放射性核種の原子、例えば銀（Ａｇ）の原子とが場所を入れ替わる現象であり、材料の表面Ｓから結晶粒Ｃの境目である結晶粒界Ｃａへの拡散速度は、結晶粒Ｃの中央に比べて早いことが知られている。

本発明者らは、この現象を踏まえて、結晶粒の粒径を大きくしたり単結晶化したりして単位体積中の結晶粒（結晶粒界）の数を減らす、すなわち、拡散速度の大きい粒界の面積を減少させることで、拡散により増加する単位体積当たりのＡｇ含有量を減らし得ることを見出した。

また、本発明者らは、格子拡散係数にも着目し、この格子拡散係数がＮｉよりも小さい元素を通常のＮｉ基合金に大量に添加（ドープ）して格子拡散係数を小さくする（合金組成を変える）ことでも、拡散量を減らし得ることを見出して、本発明をするに至った。

この際、粒界拡散係数及び格子拡散係数の双方を含む拡散係数として「実効拡散係数」の文言を用いることとした。

すなわち、本発明の第１の参考態様は、原子力施設における放射性核種を内包する一次冷却ヘリウムの循環路内に配置される原子力施設の回転機器であって、ケーシングと、前記ケーシング内において該ケーシングの内部を通過する前記放射性核種を内包する前記一次冷却ヘリウムと接触する回転翼及び翼軸を具備した回転機構を備え、前記ケーシング及び前記回転機構のうちの少なくとも前記回転機構の前記回転翼及び前記翼軸は、単結晶材から成っている構成としている。

本発明の第２の参考態様において、前記ケーシング及び前記回転機構のうちの少なくとも前記回転機構の前記回転翼及び前記翼軸は、前記多結晶合金の結晶粒径を粗大化して実効拡散係数を小さくして成る粗大結晶粒径材である構成としている。

本発明の第１の態様において、原子力施設における放射性核種を内包する冷却流体の循環路内に配置される原子力施設の回転機器であって、ケーシングと、前記ケーシング内において該ケーシングの内部を通過する前記放射性核種を内包する冷却流体と接触する回転翼及び翼軸を具備した回転機構を備え、前記ケーシング及び前記回転機構のうちの少なくとも前記回転機構の前記回転翼と前記翼軸は、Ｎｉよりも格子拡散係数が小さい元素をＮｉに添加して実効拡散係数を小さくしたＮｉ基合金から成っている構成としている。

本発明の第３の参考態様において、前記ケーシング及び前記回転機構のうちの少なくとも前記回転機構の前記回転翼及び前記翼軸は、前記単結晶材と、Ｎｉよりも格子拡散係数が小さい元素をＮｉに添加して成る格子拡散係数低減材とを組み合わせたものである構成としている。

本発明に係る原子力施設の回転機器において、原子力施設には、原子炉を備えた原子力プラントのほか、核燃料再処理施設や燃料加工施設が含まれる。

また、本発明に係る原子力施設の回転機器において、回転機器には、遠心式のサーキュレータ（ポンプ）や軸流式のサーキュレータ（ポンプ）のほか、蒸気タービン、ガスタービン、ガスコンプレッサが含まれる。

さらに、本発明に係る原子力施設の回転機器において、放射性核種を内包する冷却流体には、ヘリウムや水やナトリウムを用いることができる。

本発明に係る原子力施設の回転機器において、例えば、原子炉内で生じた核分裂生成物や、炉心構造材料が腐食することで生じた放射性腐食生成物等の放射性核種が、冷却流体に内包されてケーシングの内部に導入されて、回転機構の回転翼及び翼軸に接触しそして付着したとしても、ケーシング及び回転機構のうちの少なくとも回転機構の回転翼及び翼軸が、Ｎｉよりも格子拡散係数が小さい元素をＮｉに添加して実効拡散係数を小さくしたＮｉ基合金から成っているので、放射性核種が回転機構の回転翼及び翼軸の深部にまで拡散浸透することを少なく抑え得ることとなる。

加えて、ケーシング及び回転機構のうちの少なくとも回転機構の回転翼及び翼軸が放射性核種にほとんど汚染されないので、施設解体時における放射性廃棄物の量を低減させ得ることとなる。

本発明に係る原子力施設の回転機器では、少なくとも回転翼や翼軸を構成する材料の深部に放射性核種が拡散浸透するのを防ぐことができるので、メンテナンスコストの低減を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例に係る原子力施設の回転機器が備えられた原子力プラントの冷却回路を示す概略構成説明図である。 図１における回転機器の回転機構部位を断面にして示す側面説明図である。 一実施例に係る原子力施設の回転機器の効果を示すグラフである。 他の実施例に係る原子力施設の回転機器の効果を示すグラフである。 多結晶合金の表面付近における結晶粒及び結晶粒界を模型的に示す図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明に係る原子力施設の回転機器の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る原子力施設の回転機器を原子力プラントのサーキュレータとして採用した場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、この原子力プラントは、高温ガス炉１と熱交換器３との間で放射性核種を内包する冷却流体としての一次冷却ヘリウムを循環させる一次冷却回路（循環路）２と、熱交換器３と図示しない発電設備との間で発電作動流体としての二次冷却ヘリウムを循環させる二次冷却回路４を備えている。

この原子力プラントでは、一次冷却回路２を循環する一次冷却ヘリウムによって、高温ガス炉１内の核燃料における核分裂で発生した高温（約９５０℃）の熱を熱交換器３に運び、この熱交換器３において、二次冷却回路４を循環する二次冷却ヘリウムに一次冷却ヘリウムが保有する熱を移動させ、この二次冷却ヘリウムに移動した熱を発電設備に送って発電に供するようになっている。

このような原子力プラントにおいて用いられるサーキュレータ（回転機器）１０は、高温ガス炉１及び熱交換器３間の一次冷却回路２において、二次冷却ヘリウムに熱を移動させた後の一次冷却ヘリウムを加速して高温ガス炉１に戻すものであって、このサーキュレータ１０は、図２に示すように、導入口１１ａ及び排出口１１ｂを具備したケーシング１１と、ケーシング１１内に収容されたインペラ（回転翼）１２と、モータ１３を備えている。

インペラ１２は、モータ１３の出力シャフト１３ａ（翼軸）に固定されて、この出力シャフト１３ａとともに回転機構を構成しており、このインペラ１２は、モータ１３の出力により回転して、ケーシング１１の導入口１１ａから内部に導入される熱交換器３からの一次冷却ヘリウムを加速して、排出口１１ｂから高温ガス炉１に向けて排出するようになっている。

この場合、サーキュレータ１０におけるケーシング１１及び回転機構のうちの少なくとも回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａは、一参考例として、多結晶合金（通常結晶粒径材）よりも実効拡散係数を低くした低実効拡散係数合金、すなわち、溶融金属を凝固させる際の冷却速度を遅くする、あるいは、熱処理を施すことで結晶粒径を粗大化して実効拡散係数を小さくした粗大結晶粒径材から成っている。

また、他の参考例では、サーキュレータ１０におけるケーシング１１及び回転機構のうちの少なくとも回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａに、溶融金属を一方向から凝固させることで単結晶化した単結晶材を用いている。

この参考例に係るサーキュレータ１０では、高温ガス炉１内で生じた核分裂生成物や、炉心構造材料が腐食することで生じた放射性腐食生成物等の放射性核種が、一次冷却ヘリウムに内包されてケーシング１１の内部に導入されて、回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａに接触しそして付着したとしても、回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａが、単結晶材から成っているので、放射性核種が回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａの深部にまで拡散浸透することを少なく抑え得ることとなる。

その結果、メンテナンスコストの低減が図られることとなり、加えて、回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａが放射性核種にほとんど汚染されないので、施設解体時における放射性廃棄物の量を低減させ得ることとなる。

そこで、サーキュレータ１０の回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａに、多結晶合金（通常結晶粒径材）を用いた場合の放射性核種含有量と、上記した一参考例の粗大結晶粒径材を用いた場合の放射性核種含有量とを比較したところ、図３のグラフに示すように、多結晶合金（通常結晶粒径材）を用いた場合には、放射性核種が表面から奥深くにまで拡散浸透しているのに対して、一参考例の粗大結晶粒径材を用いた場合には、放射性核種が深部にまで拡散浸透していないことが判る。

特に、実効拡散係数を多結晶合金（通常結晶粒径材）の１／１００に低減した他の参考例の単結晶材を用いた場合には、深部の放射性核種含有量が１／１０に低減していることが判る。

したがって、他の参考例に係るサーキュレータ１０では、回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａの深部に放射性核種が拡散浸透するのを防ぎ得ることが実証できた。

上記した他の参考例では、回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａが、単結晶材から成っている場合を示したが、この実施例では、回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａに、Ｎｉよりも格子拡散係数が小さい元素をＮｉに添加して成る格子拡散係数低減材として実効拡散係数を小さくしたＮｉ基合金を用いており、さらに他の参考例として、単結晶材とＮｉよりも格子拡散係数が小さい元素をＮｉに添加して成る格子拡散係数低減材とを組み合わせたものを用いている。

そこで、サーキュレータ１０の回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａに、多結晶合金（通常結晶粒径材）を用いた場合の放射性核種含有量と、上記した実施例による格子拡散係数低減材であるＮｉ基合金を用いた場合の放射性核種含有量とを比較したところ、図４のグラフに示すように、多結晶合金（通常結晶粒径材）を用いた場合には、放射性核種が表面から奥深くにまで拡散浸透しているのに対して、格子拡散係数低減材であるＮｉ基合金を用いた場合には、放射性核種が深部にまで拡散浸透していないことが判る。

したがって、この実施例に係るサーキュレータ１０にあっても、回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａの深部に放射性核種が拡散浸透するのを防ぎ得ることが実証できた。

上記した実施例では、本発明に係る原子力施設の回転機器を原子力プラントのサーキュレータとして採用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、核燃料再処理施設や燃料加工施設における遠心式のサーキュレータ（ポンプ）や軸流式のサーキュレータ（ポンプ）や、蒸気タービンや、ガスタービンや、ガスコンプレッサとして採用することができる。

また、上記した参考例では、回転機構のインペラ１２及び出力シャフト１３ａのみに、単結晶材を採用した構成としているが、他の構成として、ケーシング１１にも単結晶材を用いてもよい。

本発明に係る原子力施設の回転機器の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではなく、例えば、回転機構の回転翼がブレードであってもよいほか、回転機構にタービンディスクや軸受やシール部材が含まれていてもよい。

１ 高温ガス炉
２ 一次冷却回路（循環路）
１０ サーキュレータ（回転機器）
１１ ケーシング
１２ インペラ（回転翼）
１３ モータ
１３ａ 出力シャフト（翼軸）

Claims (1)

1. 原子力施設における放射性核種を内包する冷却流体の循環路内に配置される原子力施設の回転機器であって、
   ケーシングと、
   前記ケーシング内において該ケーシングの内部を通過する前記放射性核種を内包する冷却流体と接触する回転翼及び翼軸を具備した回転機構を備え、
   前記ケーシング及び前記回転機構のうちの少なくとも前記回転機構の前記回転翼と前記翼軸は、Ｎｉよりも格子拡散係数が小さい元素をＮｉに添加して実効拡散係数を小さくしたＮｉ基合金から成っている原子力施設の回転機器。

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