JP6734574B2 - Rotating equipment for nuclear facilities - Google Patents
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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。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a rotating device of a nuclear facility, which is arranged in a circulation path of a cooling fluid containing a radionuclide in the nuclear facility.
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。
Conventionally, as the above-mentioned nuclear facility, for example, there is a nuclear plant described in
This nuclear power plant is a primary cooling circuit that circulates primary cooling helium as a cooling fluid containing a radionuclide between a high temperature gas reactor and a heat exchanger, and as a power generation working fluid between a heat exchanger and a power generation facility. The secondary cooling circuit for circulating the secondary cooling helium is provided.
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。 In this nuclear power plant, the primary cooling helium circulating in the primary cooling circuit carries the heat generated in the high temperature gas reactor to the heat exchanger, and in this heat exchanger, the primary cooling helium is circulated in the secondary cooling helium circulating in the secondary cooling circuit. The heat transferred to the secondary cooling helium is sent to the power generation equipment for power generation.
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。 In such a nuclear power plant, a circulator (rotating device) is usually arranged in the primary cooling circuit to accelerate and circulate the primary cooling helium.
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。 In the circulator of the nuclear power plant described above, a polycrystalline alloy (usually a grain size material) is used for the rotor blade and blade shaft that come into contact with the primary cooling helium containing the radionuclide, so that the high temperature gas reactor and the heat exchanger are used. During repeated operation to circulate the primary cooling helium between and, the radioactive nuclide contained in the primary cooling helium, for example, silver diffuses and permeates into the deep part of the polycrystalline alloy forming the rotor blade and blade axis. ..
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。 In other words, in circulators in conventional nuclear power plants, in order to prevent worker exposure to gamma rays, etc. from silver that diffused and penetrated into the deep part of polycrystalline alloys, limit the working time at the time of repair inspection or use remote equipment. Therefore, there is a problem that the maintenance cost becomes high as a result, and it has been a conventional problem to solve this problem.
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。 The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned conventional problems, and prevents the radioactive nuclide from diffusing and penetrating into the deep part of the material forming the rotor blade or the blade shaft that comes into contact with the cooling fluid containing the radioactive nuclide. Therefore, it is an object of the present invention to provide a rotating device for a nuclear facility that can reduce maintenance costs.
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。 Here, as shown in FIG. 5, the diffusion of a radionuclide into a material is a phenomenon in which an atom of the material and an atom of the radionuclide, for example, an atom of silver (Ag) are exchanged with each other by heat, and the surface S of the material. It is known that the diffusion rate from the crystal grain C to the crystal grain boundary Ca, which is the boundary of the crystal grain C, is faster than that in the center of the crystal grain C.
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。 Based on this phenomenon, the present inventors reduce the number of crystal grains (grain boundaries) in a unit volume by increasing the grain size of the crystal grains or converting them into single crystals, that is, grains having a high diffusion rate. It has been found that reducing the area of the field can reduce the Ag content per unit volume, which increases due to diffusion.
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。 The present inventors also pay attention to the lattice diffusion coefficient, and add (dope) a large amount of an element having a lattice diffusion coefficient smaller than Ni to a normal Ni-based alloy to reduce the lattice diffusion coefficient (alloy composition. It was found that the diffusion amount can be reduced also by changing ().
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。 At this time, the word "effective diffusion coefficient" is used as the diffusion coefficient including both the grain boundary diffusion coefficient and the lattice diffusion coefficient.
すなわち、本発明の態様は、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と前記翼軸は、前記放射性核種の拡散浸透を防止可能な単結晶材から成っている構成としている。 That is, an aspect of the present invention is a rotating device of a nuclear facility, which is arranged in a circulation path of primary cooling helium containing a radionuclide in a nuclear facility, and a casing and a casing that passes through the inside of the casing. A rotating mechanism comprising a rotating blade and a blade shaft that come into contact with the primary cooling helium containing the radionuclide, and the rotating blade and the blade shaft of at least the rotating mechanism of the casing and the rotating mechanism, It is made of a single crystal material that can prevent the diffusion and penetration of radionuclides.
本発明の第1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。 In the first reference aspect of the present invention, at least the rotating blade and the blade shaft of the rotating mechanism of the casing and the rotating mechanism have a large effective crystal grain size of the polycrystalline alloy and a small effective diffusion coefficient. It is configured to be a material having a coarse crystal grain size.
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、前記単結晶材材と、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。 In the second reference aspect of the present invention, at least the rotary blade and the blade shaft of the rotating mechanism of the casing and the rotating mechanism are made of the single crystal material and an element having a lattice diffusion coefficient smaller than Ni. It is configured to be combined with a lattice diffusion coefficient reducing material added to Ni.
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。 In the rotating equipment of a nuclear facility according to the present invention, the nuclear facility includes a nuclear fuel reprocessing facility and a fuel processing facility as well as a nuclear plant equipped with a nuclear reactor.
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。 In addition, in the rotating equipment of the nuclear facility according to the present invention, the rotating equipment includes a centrifugal circulator (pump) and an axial flow circulator (pump), as well as a steam turbine, a gas turbine, and a gas compressor.
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。 Further, in the rotating equipment of the nuclear facility according to the present invention, helium, water or sodium can be used as the cooling fluid containing the radionuclide.
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と翼軸が、放射性核種の拡散浸透を防止可能な単結晶材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。 In the rotating equipment of the nuclear facility according to the present invention, for example, fission products generated in the nuclear reactor, radioactive nuclides such as radioactive corrosion products generated by the corrosion of the core structure material, is included in the cooling fluid. Even if it is introduced into the casing and comes into contact with and adheres to the rotor blades and blade shafts of the rotating mechanism, at least the rotor blades and blade shafts of the casing and rotating mechanism prevent diffusion and penetration of radionuclides. Since it is made of a possible single crystal material, it is possible to suppress the radionuclide from diffusing and penetrating deep into the rotary blade and the blade shaft of the rotating mechanism.
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。 In addition, since at least the rotor and the blade shaft of the rotating mechanism of the casing and the rotating mechanism are hardly contaminated with the radionuclide, the amount of radioactive waste at the time of dismantling the facility can be reduced.
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。 In the rotating equipment of the nuclear facility according to the present invention, since it is possible to prevent the radionuclide from diffusing and penetrating into the deep portion of the material forming at least the rotating blade or the blade shaft, it is possible to reduce the maintenance cost. That is a very good effect.
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。
The present invention will be described below with reference to the drawings.
1 and 2 show an embodiment of a rotating device for a nuclear facility according to the present invention. In this embodiment, a case where the rotating device for a nuclear facility according to the present invention is used as a circulator of a nuclear plant is taken as an example. I will give you an explanation.
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。
As shown in FIG. 1, this nuclear power plant has a primary cooling circuit (circulation path) 2 for circulating a primary cooling helium as a cooling fluid containing a radionuclide between a high
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。
In this nuclear power plant, the primary cooling helium circulating in the
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。
The circulator (rotating device) 10 used in such a nuclear power plant accelerates the primary cooling helium after transferring heat to the secondary cooling helium in the
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。
The
一参考例において、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、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。
In one reference example, the
この実施例では、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と出力シャフト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放射性核種の拡散浸透を防止可能な単結晶材を用いている。
In this embodiment, it is possible to prevent the diffusion and permeation of the single crystallized radionuclide by solidifying the molten metal in one direction from the
この実施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。
In the
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。
As a result, the maintenance cost can be reduced, and in addition, since the
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。
Therefore, for the
特に、実効拡散係数を多結晶合金(通常結晶粒径材)の1/100に低減したこの実施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。 In particular, when the single crystal material of this example in which the effective diffusion coefficient was reduced to 1/100 of that of the polycrystalline alloy (normal grain size material), the radionuclide content in the deep portion was reduced to 1/10. I understand that.
したがって、この実施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。
Therefore, it was demonstrated that the
上記した実施例では、回転機構のインペラ12及び出力シャフト13aが、放射性核種の拡散浸透を防止可能な単結晶材から成っている場合を示したが、他の参考例として、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を用いる場合があるほか、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る場合がある。
In the above-described embodiments, the case where the
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、上記した他の参考例による格子拡散係数低減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。
Therefore, for the
したがって、上記した他の参考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判る。
Therefore, it can be seen that even in the
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。 In the above-mentioned embodiment, the case where the rotating equipment of the nuclear facility according to the present invention is adopted as the circulator of the nuclear plant has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the nuclear fuel reprocessing facility or the fuel processing facility is not limited thereto. Can be used as a centrifugal circulator (pump), an axial circulator (pump), a steam turbine, a gas turbine, or a gas compressor.
また、上記した実施例では、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、これに限定されるものではなく、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。
Further, in the above-described embodiment, the single crystal material is adopted only in the
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。 The configuration of the rotating equipment of the nuclear power facility according to the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and for example, the rotating blades of the rotating mechanism may be blades, or the rotating mechanism may include a turbine disk or a bearing. Or a seal member may be included.
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)
1 High-
10 Circulator (rotating equipment)
11
13
Claims (1)
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と前記翼軸は、前記放射性核種の拡散浸透を防止可能な単結晶材から成っている原子力施設の回転機器。 A rotating device of a nuclear facility arranged in a circulation path of primary cooled helium containing a radionuclide in a nuclear facility,
A casing,
A rotating mechanism having a rotary blade and a blade shaft in contact with the primary cooling helium containing the radionuclide passing through the inside of the casing,
At least the rotating blade and the blade axis of the rotating mechanism of the casing and the rotating mechanism are made of a single crystal material capable of preventing diffusion and penetration of the radionuclide.
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