構造健全性評価研究グループ

本研究グループでは、軽水型原子力発電所で使用されている機器・構造物の構造健全性を評価するための手法の研究開発を進めています。対象とする機器類は、原子炉の安全性を確保する上で特に重要な、原子炉圧力容器や原子炉冷却材圧力バウンダリの主要配管です。中性子照射脆化、応力腐食割れ等による機器類の経年劣化や、設計基準事象を超える大きな地震等の外部事象を考慮して、破壊力学等に基づく構造健全性評価手法の高度化に関する研究を行っています。研究成果は、原子力安全規制行政に対する技術的支援や学協会の規格基準に対する提案に活用されています。

(1) 原子炉圧力容器を対象とした健全性評価手法

原子炉圧力容器(RPV)の炉心から生じる中性子にさらされることによって、中性子照射脆化といわれる材料劣化が生じます。この状態で、原子炉配管の破損等により冷却材喪失事故が発生すると、高温高圧下で非常用炉心冷却水が注入され原子炉圧力容器の内面が急冷されるため、温度差に伴って容器内面付近に引張応力が発生する、RPVにとって最も厳しい加圧熱衝撃(PTS)事象が起きる可能性があります。健全性評価では、RPV内面にき裂を想定した上で、PTS事象が生じてもRPVが破壊しないことを確認する必要があります。私たちは、中性子照射脆化を考慮した、破壊力学に基づく健全性評価手法の高度化に関する研究を進めています。

図1
図1:原子炉圧力容器の加圧熱衝撃時における健全性評価

(加圧水型原子炉におけるRPVの非延性破壊防止に関する健全性評価は、主としてPTSの発生を想定して実施しています。圧力容器内面に半楕円の表面欠陥を想定し、PTS時の荷重条件を考慮して、欠陥が脆性的に進展を開始するかどうかを決定論的手法により判定します。応力拡大係数(KI)が破壊靱性値(KIc)を超えると破壊が生じると判定されます。)

(2) 溶接残留応力解析手法

配管の溶接継手、鞍型管台、原子炉圧力容器の肉盛溶接部(オーバーレイクラッド)等、幾何形状の複雑な部位や異なる材料が接合された部位等に対して、有限要素法(FEM)による溶接残留応力分布や破壊力学に基づく構造・材料不連続部の健全性評価手法を確立するための研究を行っています。

図2
図2:原子炉圧力容器貫通部のFEM解析モデル
図3
図3:残留応力の比較

(RPVに制御棒案内管や炉内計装筒管台等、ノズル管を取り付けるためのJ溶接部を模擬したFEM解析モデルを作成し、J溶接や溶接後熱処理(PWHT)を模擬した解析を行っています。J溶接とPWHTを行った後の残留応力を比較すると、PWHTによりJ溶接部の残留応力は低減しますが、クラッド部の残留応力は降伏応力程度まで増加していることが分かります。)

(3) 確率論的破壊力学を用いた健全性評価手法

供用期間中にRPVや配管等の機器類にき裂が発生・検出された場合や、製造時からき裂が存在すること等を想定して、材料特性、溶接残留応力、地震や運転時の荷重、欠陥の検出性に関わるばらつきや不確かさを考慮して、加圧熱衝撃時にRPVが破壊に至る確率や、応力腐食割れ、疲労、減肉等により経年劣化した配管の漏えいや破断などの破損確率について、破壊力学及びモンテカルロ法に基づき解析的に求めるための計算コードPASCALシリーズの開発を進めています。

図4
図4:ホットレグの損傷事例
図5
図5:PASCAL-NPによる漏えい確率解析

(上の図は、加圧水型原子炉容器ホットレグのニッケル合金溶接部に応力腐食割れ(PWSCC)が発生した事例を示しています。健全性評価で重要なパラメータのばらつきを適切に考慮して破損確率を算出するため、確率論的破壊力学に基づく解析コードPASCAL-NPを開発しました。この損傷事例を対象にPASCAL-NPを用いて漏洩確率を算出した結果は、検査結果とよく一致することを確認しました。)

(4) 地震荷重によるき裂進展を考慮した破壊力学評価手法

設計基準を超える大きな地震荷重が配管等の健全性に及ぼす影響を評価するため、地震荷重の特徴を考慮したき裂進展挙動に関する試験研究を進めています。弾性域を超える場合に適用できる破壊力学パラメータΔJを用いて、複雑な履歴を有する地震荷重を考慮したき裂進展評価手法を構築することにより、より精度よくき裂進展を予測することを目指しています。また、構築したき裂進展評価手法を確率論的破壊力学解析コードPASCAL‐SPに導入し、大きな地震が発生した場合の配管等の破損確率を評価できるよう開発を進めています。

図6
図6:き裂先端の応力状態
図7
図7:負荷した地震荷重
図8
図8:き裂進展量の評価

(き裂先端の大きな変形を伴う不規則な繰返し荷重や、不規則な地震荷重を1波ずつ忠実に考慮してき裂進展量を評価できるき裂進展評価手法を開発しています。地震荷重波形に含まれる過大荷重によるき裂進展の加速や遅延効果を考慮することにより、従来の応力拡大係数を用いる評価に比べて、より正確にき裂進展の予測が可能となりました。)

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