JPH083550B2

JPH083550B2 - 炉内材料モニター装置

Info

Publication number: JPH083550B2
Application number: JP1100151A
Authority: JP
Inventors: 道好山本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1989-04-21
Publication date: 1996-01-17
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: JPH02280042A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、原子炉内で使用される構造用材料の劣化状
態を経年的にモニターする装置に係り、特に、高温高放
射能環境下における応力腐食割れによるき裂進展速度を
モニターし、炉内構造物の破壊を予知するためのモニタ
ー装置に関する。

［従来の技術］従来の材料のき裂進展モニターは、材料試験用とし
て、電位差法などがあり、「メンテナンス」（林眞琴，
機器配管の表面欠陥検査について、P38〜50（1988））
の例のように機器部材や配管等に発生した表面欠陥の形
状を精度よく検出できるポータブル型電位差法欠陥検査
装置が開発されている。これらの装置は材料の破壊靱性
試験に用いられるCT型試験片に適用した例がある。

また、米国では、「マテリアルサイエンスアンドエン
ジニアリング」（A103（1988）P167−841）で原子炉の
再循環配管系および原子炉圧力容器内の炉心部にクラッ
クダメージモニターを設け、測定した例が示されてい
る。測定方法は、マルチプルーポテンシャル・プローブ
・テクニークを用いたもので、試料部は、ウエッジロー
デッドーダブルーカンチレバー−ビーム試験片を炉心
部に入れ、オンラインで炉外の解析装置に接続してモニ
ターできるものとなっている。この方式は、静荷重下に
おけるき裂進展の溶存酸素濃度，水質の純度，中性子や
γ線照射効果をモニターすることを可能としている。

［発明が解決しようとする課題］上記の従来技術は、静荷重下でのみ、き裂進展速度を
モニターすることは可能であったが、き裂の進展と共に
応力が緩和されることについては、特に配慮されておら
ず、実機の条件とは異なり、長期間にわたる材料のモニ
タリングには不適であった。

本発明は、炉内構造材料に対する負荷（内応力または
外応力）を、原子炉運転時間に応じて漸増できること、
および定荷重下での長期間にわたるモニタリングが可能
で、機械のき裂進展速度を計測することができる炉内材
料のモニター装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するための本発明に係る炉内材料モニ
ター装置の構成は、原子炉内で使用している構造材料の
材質の経年劣化の状態を、直流電位差法により、計測な
らびに監視することができる炉内材料モニター装置にお
いて、原子炉に用いられるの構造材料と同じ構造材料か
らなり、原子炉の炉心部に配置された供試体と、原子炉
の運転時間に応じて前記供試体に漸増する応力を与え続
けるか、あるいは原子炉の運転時間に応じて前記供試体
に発生するき裂の進展に拘わらず所定の応力を前記供試
体に与え続ける応力負荷装置と、前記供試体の表面に発
生するき裂の成長速度を検出し、原子炉外に出力する電
位差検出装置を備え、供試体表面に発生するき裂の進展
速度を、炉外で経年的に計測ならびに監視することがで
きるようにしたことである。

［作用］炉内構造物の全期健在性を監視するためには、直接炉
内構造物のき裂などの欠陥の有無を調べることが望まし
いが、運転中に原子炉内を直接点検することは困難であ
る。そこで、炉内構造材料と同一の材料をモニター用材
料として、炉心部に設置することが考えられる。また、
長期間にわたる材料の劣化状態を短期間内に予知する手
段として、加速的に材料劣化をさせる方法として、応力
負荷を行うことができる。

上記目的を達成するために、試料部の荷重の負荷方式
を運転時間に応じて、歪が増加する機構および運転時間
に応じて、歪が一定な荷重負荷方式を採用し、炉内構造
材料の経年劣化のモニターを可能としたものである。

歪が漸増するための第１の方法は、Al₂O₃とB₄Cの混合
粉末ペレット状に焼結した酸化物を応力源とする方式で
あり、炉心部で運転中に発生する中性子により、Al₂O₃
およびB₄Cの結晶間に空孔が生じ、体積膨張することま
た、B₄Cが中性子照射をうけHeガスへ変換することを利
用し、ペレットを充填するための密封した供試体容器を
設け、生成ガス分圧の増加により、容器を膨張させるこ
とである。

また、歪を一定にするには、中性子照射量を受け、ペ
レットの照射スウェリングが飽和した時期を利用するこ
とや、ペレット内のB₄Cの添加量を調整して、発生ガス
量を加減することにより、任意の荷重レベルを設定する
ことができる。B₄Cの添加量は、0.1〜5.0wt％が適切で
ある。

また、焼結ペレット以外の方法では、荷重負荷のため
の方法として、膨張物質として、容器内に異なる材料，
例えば、ステンレス鋼と炭素鋼などを積層充填し、容器
内に外部から水分、例えば炉水を侵入させ、積層部に隙
間腐食を生じせしめ、金属を酸化物に変化させると体積
膨張することを利用した構成からなる試料部を使用する
ことになり、上記、目的を達成することができる。

また、荷重の負荷方式として、ばね荷重により、応力
負荷した試料とすることにより、試料部に一定荷重を与
えつづける状態で、き裂進展をモニターすることが可能
となった。

さらに、試料部とする供試体自体をＣ字型などに曲げ
て、応力負荷することにより、静荷重を負荷することが
できる。

以上に示した試料への荷重負荷を炉心部に設置するホ
ルダーとし、試料部および監視部を炉心部に設置する中
性子計装管に組み込むことにより、試料部を炉内に安全
に設置可能となる。

また、試料部および監視部を内包したホルダーを原子
炉の圧力容器を貫通させ計測用電線を圧力容器の外部へ
取り出す構造により、原子炉外の操作盤にて、測定監視
できる。

［実施例］以下本発明に係る実施例を第１図〜第７図を用いて説
明する。

第１図は、第１実施例のスエリングチューブ型の内応
力負荷方式を示す平面略示図である。

第１図の構成は、１は、炉内構造材料から採取した供
試体容器、２（2a〜2f）は、Al₂O₃とB₄Cの混合物を焼結
したペレット、３は、端子、４および７は、リード線、
５（5a〜5f）は、電位差計、６は、直流電源、８（8a,8
b）は、供試体容器に電流を供給する給電端子である。

以下に動作について説明する。

炉内構造材料を、ステンレス鋼とし、これから供試体
容器１を製作し、その中にAl₂O₃とB₄Cの混合物を焼結し
てペレット2a〜2fにしたものを封入する。ペレットはB₄
Cの添加量をコントロールした異なるペレットを入れて
ある。また、ペレットの外径と供試体容器の内径差を設
定することにより、ペレットのスウェリングにより、供
試体容器内壁に接触するまでの時間を任意に設定でき
る。供試体容器１の両端には、直流電流を供給するため
の給電端子8a,8bが取り付けられている。給電端子の取
り付けはスポット溶接あるいは可動式の接着端子でもよ
い。直流電源６からの電流はリード線７を介して電流極
性切換装置により間欠的に切換えられて、供試体に供給
される。これは測定端子と被測定部材の材質が異なる場
合に端子と部材との間に発生する熱起電力や電位差計の
ドリフトを取り除くためである。部材の片側に測定端子
が等間隔で多数取付けてある。測定端子は少なくとも５
組以上が望ましい。測定端子の間隔は短い方が感度が良
い。

電位差Ｖは各測定端子をリード線４を介して、マルチ
プレクサに接続して、ここで測定する端子を切り換え
て、微小電位差計が測定する。そしてA/D変換されてイ
ンターフェースを介して、コンピュータに転送され、多
数の電位差の比較演算によりき裂発生位置とき裂長さが
求められ、プリンタに出力される。

本第１実施例では、供試体容器（炉内構造材）内に充
填されたAl₂O₃、B₄Cの混合粉末ペレットが、原子炉内で
の体積膨張およびH₂ガスの発生により、容器内の内部応
力を漸増させる作用を利用したものである。

第２図は、第２実施例の積層板腐食型の内応力負荷方
式を示す平面略示図である。

第２図の構成は、10（10a、10b）は、耐食性材料、例
えばオーステナイト系ステンレス鋼、11（11a、11b、11
c、11d）は、腐食性材料、例えば積層した炭素鋼、12
は、炉内構造材料から採取した供試体容器、９は、貫通
孔でありその他の符号は、第１実施例と同一番号で示し
てある。

第２実施例の動作は、炉内構造材料から採取した供試
体容器12の中に、耐食性材料10a,10b、例えばオーステ
ナイト系ステンレス鋼を使用し、腐食性のやや大きい材
料11a〜11b、例えば炭素孔で積層する。供試体容器12に
外部との貫通孔９が設けられており、ここから炉水が、
材料10a,10bおよび11a〜11dのすきまに侵入し、これら
の間ですきま腐食が生成し、材料10a,10bと供試体容器
が密着するとともに、すきま部の酸化物の生成により体
積膨張し、供試体容器12に内部から、応力が加わる。応
力の集中をたもらすために、予め材料10a,10bは凸形面
にて供試体容器12に接するようにしておく。

本実施例によれば、すきま部の腐食量の増加により、
供試体容器に応力が漸増的に負荷されるので、き裂の発
生ならびに進展を加速的に再現できることにより、環境
の材料に及ぼす影響をモニターできる。

第３図は、第３実施例のばね荷重型の内部応力負荷方
式の平面略示図である。

第３図の構成は、13は、炉内構造材料から採取した供
試体容器、15は、供試体容器13の内部の一端に集中応力
を伝達させるための凸状システム、14は、この凸状シス
テムに内部応力を負荷するためのばね機構、16は、内部
に封入したHeガスである。その他の符号は、第１実施例
と同一番号で示している。

第３実施例の動作は、炉内構造材料から採取した供試
体容器13の内部に炉内温度の変化に応じて内部応力を負
荷する機構としてのばね14（例えばインコネルＸ−750
等の高強度ばね材）およびばね応力を、供試体容器の一
端に、集中的に伝達することができる凸状システム15、
ならびに内部の熱伝導性をよくするためのHeガス16を封
入してある。

本発明の実施例によれば、ばね定数より、応力の設定
が任意にできるので、ばね長さを変えることにより、各
応力レベルのモニターが可能となる。

第４図は、第４実施例の、Ｃ字リング型の外応力負荷
方式の平面略示図である。

第４図の構成は、18は、炉内構造材料から採取した円
柱状の供試体を、円弧状のＣ字リング型状に曲げたも
の、19は、供試体18の円弧の直径方向に貫通したボル
ト、20は、同上を締付けられるためのナット、21は、同
上ボルトの廻し止め用溶接部である。その他の符号は、
第１実施例と同一番号で示してある。

第４実施例の動作は、Ｃ字リング型状供試体18の円弧
の直径方向に貫通したボルト19を、ナット20で締付け
て、一定の外応力を負荷する。この際、熱膨張によりナ
ット20がゆるまぬように、ボルト溶接止め21を施こす。

炉内温度の上昇にしたがって、供試体18は、膨張する
ので、検出端子近傍に応力が負荷され、き裂が発生し、
進展してゆく状態をモニターすることができる。

第５図は、第５実施例の、おもり荷重による外応力負
荷方式の平面略示図である。

第５図の構成は、22は、炉内構造材料から採取したダ
ンベル型引張り試験片（供試体）、23は、外力を負荷す
るためのおもり、25は、供試体22およびおもり23を保持
収容するための保持フレーム、24aおよび24bは、保持フ
レーム25の貫通孔である。その他の符号は、第１実施例
と同一番号で示してある。

第５実施例の動作は、供試体22は、ダンベル型の引張
り試験片であり保持フレーム25の中に封入されている。
荷重は、比重の大きいおもり23により負荷している。

フレーム25は容器状になっており、底部に24bの孔
を、上部に24aの孔を設け、冷却水の流入，流出を行な
えるようになっているとともに、試料部22が破断したと
き、試料部22やおもり23が原子炉内に飛散してルースパ
ーツにならぬように考慮されている。

本実施例によれば、おもりによる荷重負荷であり応力
レベルが精度よく設定できること、および長時間の浸漬
においても、荷重の緩和がないので、実機の部材と同等
の状態が再現できる効果がある。

第６図は、第６実施例の、原子炉圧力容器中に、設置
した炉心材料モニター用ホルダー説明図である。第６図
の構成は、40は、原子炉圧力容器、41は、計装管ハウジ
ング、42は、信号ケーブル、43は、計装用ケーブルのペ
ネトレーションである。その他の符号は、第５実施例と
同一番号で示してある。

第６実施例の動作について説明する。

原子炉圧力容器40の中に設置したホルダー32は、上部
格子板31と炉心支持板30の間に位置する場所に試料部34
a〜34dが設けられている。この位置から、原子炉圧力容
器40の外へリード線（信号ケーブル）42をホルダー32の
内を通して、外部へ取り出し、電位差計および直流電源
に接続する。

原子炉圧力容器40とのノズル部は、計装管ハウジング
41と溶接で接続されており、ホルダー32はハウジング41
の中に収納される。ハウジング41とホルダーからのリー
ド線42は、計装用ケーブルペネトレーション43を介して
外部へ取り出される。

本実施例によれば、炉内の供試体端子部からの電気信
号をリード線を介して、炉外で測定できるので、原子炉
出力運転中であっても、炉内の高温高照射環境下で材料
特性の変化をモニターすることができる効果である。

第７図は、BWR型炉心と、これに装荷した上記炉心材
料モニター用ホルダーの設定位置の１例示平面図であ
る。すなわち、ホルダーの設置位置は、第７図で示すよ
うなLPRM（出力領域検出器）,IRM（中間領域検出器），
またはSRM（中性子源領域検出器）の中性子計装管の位
置または、類似位置に設ける。本発明の実施例によれ
ば、炉心部であり、炉心周辺部より高照射量条件の環境
下でモニターできるので、炉心支持板や上部格子板より
も加速的に材料劣化をモニタリングでき、材料の事前予
知を可能にする効果がある。

炉心材料モニター用ホルダーに挿入する供試体は、本
発明の実施例として説明した第１〜第５実施例における
試料部は、いずれもその対象として使用することができ
る。

なお、本発明の炉心材料モニター装置は、他の型式の
原子炉、PWR、ATR、FBRをはじめ核融合炉にも応用でき
る。

［発明の効果］本発明によれば、つぎのような効果がある。

（１）原子炉プラント内の構造材料は、原子炉の運転に
応じて所定の応力を受ける続けるか、あるいは運転経過
にしたがって漸増的に応力を受けて、その材質劣化が進
展する。この状態を経年的に計測、監視することができ
る。

（２）炉心構造材料の経年変化が、加速されて計測で
き、材料の破壊を予知することができる。

（３）炉心材料については、炉心材料モニター用ホルダ
ーの使用により、その材質劣化は、より精度よく、迅速
に、継続的に計測できる。

（４）炉心材料モニター用ホルダーにより、稼動中の原
子炉内の材料劣化を、継続的に、オンラインで監視でき
るので、原子炉の運転管理をより安全に行なうことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例のスエリングチューブ型
の内応力負荷方式を示す平面略示図、第２図は、第２実
施例の積層板腐食型の内応力負荷方式を示す平面略示
図、第３図は、第３実施例のばね荷重型の内応力負荷方
式を示す平面略示図、第４図は、第４実施例のＣ字リン
グ型の外応力負荷方式の平面略示図、第５図は、第５実
施例のおもり荷重による外応力方式の平面略示図、第６
図は、第６実施例の原子炉圧力容器中に設置した炉心材
料モニター用ホルダー説明図、第７図は、BWR型炉心
と、これに装荷した炉心材料モニター用ホルダーの設定
位置の１例示平面図である。１……供試体容器、２……Al₂O₃/B₄Cペレット、３……
端子、４、７……リード線、５……電位差計、６……直
流電源、8a,8b……給電端子、９……貫通孔、10a,10b…
…耐食性材料、11a〜11d……腐食性材料、14……ばね、
15……凸状システム、16……Heガス、19……ボルト、20
……ナット、23……おもり、25……保持フレーム、30…
…炉心支持板、31……上部格子板、32……炉心材料モニ
ター用ホルダー、34……供試体、40……原子炉圧力容
器、41……計装管ハウジング、43……ケーブルペネトレ
ーション。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉内で使用している構造材料の経年劣
化の状態を、直流電位差法により計測ならびに監視する
炉内材料モニター装置において、前記構造材料と同じ構
造材料からなり、原子炉の炉心部に配置された供試体
と、前記供試体に原子炉の運転時間に応じて漸増する応
力を与え続けるか、あるいは原子炉の運転時間に応じて
前記供試体に発生するき裂の進展に拘わらず所定の応力
を前記供試体に与え続ける応力負荷装置と、前記供試体
の表面に発生するとき裂の成長速度を検出し、原子炉外
に出力する電位差検出装置を備え、原子炉外で前記供試
体のき裂成長速度を経年的に計測ならびに監視すること
を特徴とする炉内材料モニター装置。
【請求項２】前記炉内構造材料と同じ構造材料からなる
密封容器状の供試体に、原子炉の運転中炉心部で発生す
る中性子の照射により膨張する膨張性物質を密封し、そ
の膨張により発生する応力により前記密封容器状の供試
体表面に生じたき裂を測定する請求項１記載の炉内材料
モニター装置。
【請求項３】前記密封容器状の供試体内に充填した前記
膨張性物質がAl₂O₃とB₄Cの混合物からなるペレットであ
る請求項２記載の炉内材料モニター装置。
【請求項４】炉内構造材料と同じ構造材料からなり、微
細な貫通孔を有する管状の供試体内に、酸化され易い複
数の金属薄板を積層して充填し、前記貫通孔から炉水が
侵入し、前記金属薄板の酸化による体積膨張により応力
を発生させ、その腐食応力によって前記管状の供試体表
面に生じたき裂を測定する請求項１記載の炉内材料モニ
ター装置。
【請求項５】炉内構造材料と同じ構造材料からなる密封
容器の局部に集中応力を負荷し、き裂の発生を測定する
請求項１記載の炉内材料モニター装置。
【請求項６】炉内構造材料と同じ構造材料からなる供試
体をＣ字型リング状に曲げ、リングの中心を通る径方向
から押圧した状態で拘束し、その最大負荷部に発生する
き裂を測定する請求項１記載の炉内材料モニター装置。
【請求項７】炉内構造材料と同じ構造材料からなる板状
供試体を、炉水が自在に還流できるような貫通孔を有す
る保持フレーム内に吊り下げて保持し、前記板状の供試
体に吊り下げ方向の一定の荷重をかけ、前記供試体表面
に発生するき裂を測定する請求項１記載の炉内材料モニ
ター装置。
【請求項８】炉心部軸方向の構造材料劣化を予知するた
めに、ホルダーの軸方向にそって挿入した複数個の請求
項２記載の供試体の材質変化の信号を、信号ケーブル、
リード線を経て炉外に取り出すようにした炉心モニター
用ホルダーを、炉心近傍部に燃料棒と並行して挿入し、
軸方向の複数箇所における供試体のき裂の成長を、長時
間にわたり、オンラインで測定する請求項１記載の炉内
材料モニター装置。