(57)【要約】【課題】高い耐食性と炉心溶融物に対する抵抗性とを兼ね備えた、原子炉圧力容器を提供する。【解決手段】本実施形態による原子炉圧力容器は、内面の少なくとも一部にセラミックコーティングを備えたことを特徴とするものである。この原子炉圧力容器は、低合金鋼からなる原子圧力容器本体の内面に、前記原子炉圧力容器の温度が１０００℃以上にならない条件下でセラミックコーティングを形成させることで製造することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面の少なくとも一部に、セラミックコーティングを備えたことを特徴とする、原子炉圧力容器。
【請求項２】
前記原子炉圧力容器が、上蓋部、吸水入口ノズルを備えた中央部、および炉底部からなり、前記セラミックコーティングを、炉底部の内面全体、中央部の内面のうち吸水入口ノズルより下側部分全体、または中央部の内面全体のうち、いずれかに備えた、請求項１に記載の原子炉圧力容器。
【請求項３】
前記セラミックコーティングが、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＴｉＯ４およびＡｌ２Ｏ３からなる群から選ばれるいずれかを一つ以上を含む、請求項１または２に記載の原子炉圧力容器。
【請求項４】
前記原子炉圧力容器と前記セラミックコーティングとの間にクラッド層をさらに備えた、請求項請求項１〜３のいずれか１項に記載の原子力圧力容器。
【請求項５】
前記クラッド層のクロム含有率が、１２質量％以上である、請求項４に記載の原子力圧力容器。
【請求項６】
前記クラッド層と前記セラミックコーティングとの間に、Ｃｒ２Ｏ３含有膜をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか一項に記載の原子炉圧力容器。
【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を備えた、原子炉。
【請求項８】
前記原子炉格納容器に、セラミックコーティングを備えた、請求項７に記載の原子炉。
【請求項９】
低合金鋼からなる原子圧力容器本体の内面に、セラミックコーティングを備えた原子炉圧力容器の製造方法であって、前記セラミックコーティングが前記原子炉圧力容器の温度が１０００℃以上にならない条件下で形成される、原子炉圧力容器の製造方法。
【請求項１０】
前記セラミックコーティングは、化学溶液法、エアロゾルデポジション法、プラズマ溶射、化学蒸着法、またはコールドスプレー法のいずれかによって形成される、請求項９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、原子炉および原子炉圧力容器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉圧力容器は、原子力発電プラントにおける炉心および炉内機器を収納している容器であり、高温高圧に耐えられるよう設計されている。圧力容器内部の機器は、通常運転時に、高温水および蒸気に曝されている。圧力容器は、主に低合金鋼で製造されているが、高温高圧水に曝されるため、耐食性を高めるために、炉底部付近にステンレス鋼のクラッド層が設けられているのが一般的である。しかし、原子炉を連続的に運転した場合、ステンレス鋼は長時間高温条件下におかれるため、熱時効硬化が起こりやすい。この結果、δ相が硬く脆くなり、容器の破損に繋がるリスクがある。また、低合金鋼とステンレス鋼はその界面において異種金属腐食を起こす可能性があるため、熱脆化によってクラッド層にき裂が生じた場合、炉水がそのき裂に浸透し、低合金鋼を含む圧力容器を腐食させる可能性がある。
【０００３】
また、万が一、なんらかの事故によって炉心溶融が生じた場合、低合金鋼などの金属で形成されている圧力容器は、容易に溶融してしまい、溶融物が圧力容器外、さらにはプラント外へ放出される可能性がある。その対策として、例えば、格納容器の下側に炉心溶融物の保持装置を配置して、溶融物がプラント外へ放出されることを防ぐことが検討されている。そしてその保持装置においても、耐熱材の改良や保持装置の構造の改良など、種々の開発が行われている。しかしながら、事故を可能な限り抑制するためには、炉心溶融物の保持装置だけでなく、圧力容器自体の耐性をさらに高めることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１３７４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本実施形態は、このような事情に鑑みてなされたもので、耐食性と炉心溶融物に対する抵抗性とを兼ね備えた圧力容器を提供することができるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態による原子炉圧力容器は、内面の少なくとも一部にセラミックコーティングを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
また、実施形態による原子炉圧力容器の製造方法は、低合金鋼からなる原子圧力容器本体の内面に、セラミックコーティングを備えた原子炉圧力容器の製造方法であって、前記セラミックコーティングが、前記原子炉圧力容器の温度が１０００℃以上にならない条件下で形成されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
実施形態によれば、圧力容器の耐食性を高めるとともに、炉心溶融に対する抵抗性を改善することができて、長寿命化および安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態による原子炉圧力容器の垂直断面概略図。
【図２】エアロゾルデポジション法によるセラミックコーティング装置の概略構成を示す図。
【図３】プラズマ溶射法によるセラミックコーティング装置の概略構成を示す図。
【図４】化学蒸着法によるセラミックコーティング装置の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
【００１１】
図１は、沸騰水型原子力炉（ＢＷＲ）に適用した場合の、実施形態による原子炉圧力容器の一例を示す垂直断面模式図である。圧力容器１は、上蓋２、中央部４、および炉底部５に分けることができ、中央部４と炉底部５は一般に溶接によって接合されている。圧力容器の内部には、燃料６が配置されており、燃料６が没するように圧力容器内に水７が入れられている。通常、圧力容器の本体は、厚さが約２００ｍｍ程度の低合金鋼で形成されている。ここで低合金鋼とは、鉄および炭素以外の元素の含有量が比較的少ないものであり、アルミニウム、クロム、銅、ニッケル、鉛などの成分の含有量が５質量％以下のものをいう。
【００１２】
このような低合金鋼は、熱水などにより腐食を受けやすい、一方、圧力容器の内部にある水７は高温高圧となっているため、低合金鋼には過酷な環境となっており。このために、腐食環境から圧力容器本体を守るために、本体の内面には厚さ５ｍｍ程度のステンレス層（これをクラッド層という）が設けられていることが好ましい。クラッド層に用いられるステンレス鋼は、耐食性を高めるためにクロム含有率が高いことが一般的であり、実施形態において、約１１質量％以上のクロムを含んでいることが好ましい。このクラッド層は、一般的には圧力容器の内側にステンレス鋼を肉盛り溶接することにより形成されている。
【００１３】
実施形態による原子炉圧力容器は、その内面の少なくとも一部分にセラミックコーティング（以下、簡単にコーティングと言うことがある）を備えている。実施形態において、セラミックコーティングは、上記したようなクラッド層がある場合にはその上に形成されていてもよいし、低合金鋼からなる圧力容器の内面に直接形成されていてもよい。また実施形態において、保護膜は前記クラッド層と前記コーティングとの間に、Ｃｒ２Ｏ３含有層を備えることもできる（詳細後述）。
【００１４】
実施形態において、コーティングは、炉心溶融物が発生した場合に接触し得る部分、および／または腐食の要因となり得る冷却水に接触する頻度の高い部分に形成させることが好ましい。
【００１５】
図１に示された原子力圧力容器は、沸騰水型原子力炉に用いられる場合の一例を示すものであるが、この場合にはセラミックコーティング８は、容器内面のうち中央部４に設けられた給水入口ノズル３よりも下部に形成されている（図１中の破線よりも下側）。このようにコーティングを形成させることによって、冷却水に接触する可能性の高い部分を腐食から保護することができる。また、吸水入口ノズル３より上側部分は、冷却水そのものに接触する可能性は低いが、蒸気には接触することがあり、また高温になる。このため、吸水入口ノズルより上側部分にも、コーティングを形成させることができる。一方、特に炉心溶融物に対する耐性を考慮する場合には、容器内面のうち炉底部５の内面のみにコーティングを形成させることもできる。
【００１６】
一方、加圧水型原子力炉（ＰＷＲ）の場合は、圧力容器の内面全体にわたって、高温高圧の冷却水が接触するため、容器内面全体にセラミックコーティングを形成させることが好ましい。
【００１７】
以上のことから、セラミックコーティングが前記原子炉圧力容器の炉底部の内面全体、中央部の内面のうち吸水入口ノズルより下側部分全体、または中央部の内面全体、いずれかに備えられていることが好ましく、炉心溶融物に対する抵抗性の観点から、炉底部の内面全体に備えられていることがより好ましい。また、圧力容器の内側面と冷却水の接触による腐食を防ぐという観点から、炉底部の内面全体および中央部の内面のうち吸水入口ノズルより下側部分全体の双方、または炉底部の内面全体および中央部の内面全体の双方にセラミックコーティングが備えられることが好ましい。このとき、セラミックコーティングの形成面積を小さくすることができるので、炉底部の内面全体および中央部の内面のうち吸水入口ノズルより下側部分全体の双方にセラミックコーティングが備えられることがより好ましい。
【００１８】
セラミックコーティングは、全体が単一の層から形成されていても、あるいは２つ以上の同一または異なった層を積層したものであってもよい。
【００１９】
（セラミックコーティングの組成）
実施形態によるセラミックコーティングは、セラミックス材料を含むものである。セラミックス材料は特に限定されないが、例えば、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＴｉＯ４、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＣなどから選択できる。ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＴｉＯ４（チタン酸ジルコニア）、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＣは、いずれも、融点は１８００℃以上のセラミックスで、高温高圧水中に対する耐食性が高い材料である。ＺｒＯ２は、安定化ジルコニアもしくは部分安定化ジルコニアを用いるとより安定したコーティングを生成することができる。Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＣについては高純度のコーティングを生成することが好ましい。
【００２０】
セラミックコーティングは、２種類以上のセラミックス材料を含むものであってもよいし、単一種類のセラミックス材料を１種類含むコーティングを積層して、複合層としてもよい。また、２つ以上の層が積層されている場合は、Ｃｒ２Ｏ３含有膜が形成された後に、他のセラミックスによるコーティングを形成させることが好ましい。セラミックコーティングの形成前にＣｒ２Ｏ３含有膜が形成されていた場合、セラミックコーティング形成時の基材への影響が抑えられ、より耐食性を高めることができるためである。
【００２１】
原子炉圧力容器は、原子炉格納容器に覆われている。原子炉格納容器は、燃料の損傷などによって放射性物質が放出された場合に周辺への拡散を抑える役割を有するものである。この原子炉格納容器の内壁にも、セラミックコーティングがされていてもよい。
【００２２】
（原子炉圧力容器の製造方法）
実施形態による圧力容器は任意の方法により製造することができるが、その製造方法の例を説明すると以下の通りである。
【００２３】
まず、低合金鋼からなる圧力容器本体を準備する。圧力容器本体は、例えば、上蓋部、中央部、および炉底部に分けて製造されるのが一般的であるが、いずれの部品も、精錬、鋳込み、熱処理などの工程を経て製造するのが一般的である。これらの部品を非常に大きな鍛造品であるが、圧力耐性などの観点から、継ぎ目溶接のない一体化構造であることが好ましい。
【００２４】
実施形態において、圧力容器はその内面にセラミックコーティングが形成される。このとき、炉底部や中央部など、各部品の内側にコーティングを形成させ、その後に各部品を組み立てても、各部品を組み立てた後で、その内部にコーティングを形成させてもよい。後者は、作業性が容易である点で好ましい。一方、後者は、コーティングの継ぎ目ができにくいので、耐食性の改善の観点から、より好ましいものである。なお、セラミックコーティング層を、炉底部および中央部の下側に形成させる場合には、炉底部および中央部を接合したのちにコーティングの形成を実施するのが好ましい。また、コーティング後に溶接しようとする部分がある場合は、その付近はコーティングしないよう、マスキングを行うことが好ましい。
【００２５】
コーティングの形成に先だって、圧力容器の内面にクラッド層を形成させることが好ましい。クラッド層は、一般に肉盛溶接によって形成される。肉厚溶接は一般的に知られている方法により実施することができるが、溶接前の予熱処理、および溶接後の熱処理を行うことが好ましい。これらの処理により、圧力用基本体の熱硬化やクラッド層の割れなどを防止することができる。クラッド層は、主としてステンレス鋼からなるものであるが、クロム含有率が高いことが好ましい。具体的には、クロム含有率が１２質量%以上であることが好ましく、１３％以上であることがより好ましい。また、クラッド層の厚さは、耐食性の観点から厚いことが好ましいが、例えば１ｍｍ上であることが好ましく、
５ｍｍ以上であることがより好ましい。
【００２６】
クラッド層を形成させた場合、コーティング層形成に先立って、さらにＣｒ２Ｏ３含有層を形成させることができる。クラッド層とセラミックコーティング層との間にＣｒ２Ｏ３含有層が存在すると、耐食性がさらに改善される。このようなＣｒ２Ｏ３含有層は、クラッド層を構成するステンレス鋼のクロム含有率が高い場合には、その表面を熱処理することで形成させることができる。また、クラッド層表面にクロムからなる層や、クロム含有率の高い合金の層を形成させ、それを熱処理することにより形成させてもよい。このようなＣｒ２Ｏ３含有層は、単純なステンレス鋼被膜よりも耐食性に優れており、より耐食性に優れた圧力容器を実現できる。
【００２７】
圧力容器に対して、必要に応じてクラッド層およびＣｒ２Ｏ３含有層を形成させた後、セラミックコーティングを形成させる。セラミックコーティングの形成方法は特に限定されないが、圧力容器本体が、例えば１０００℃以上の高温付されることは避けることが好ましい。セラミック材料を形成させるプロセスは一般に１０００℃を超える高温での焼成工程を伴うことが多いが、そのような方法を用いた場合には、圧力容器が高温の影響を受け易い。具体的には、熱硬化によって圧力容器本体が破損しやすくなることがある。したがって、例えば、以下に例示する、圧力容器の温度が１０００℃以上にならない条件下でセラミックコーティング形成させる方法のいずれかによりコーティングを形成させることが好ましい。
【００２８】
（化学溶液法）
セラミックコーティングを形成させるのに好適な方法である化学溶液法によるコーティング方法について説明する。まず、塗布溶液を準備する。塗布溶液は、Ｚｒ化合物を含む溶液、Ｔｉ化合物を含む溶液、Ｔｉ−Ｚｒ系化合物溶液、Ａｌ系化合物を含む溶液、Ｓｉ化合物を含む溶液、これらの金属元素の錯体を含む溶液、これらの金属元素のアルコキシド化合物を含む溶液、これらの金属元素の塩を含む溶液、さらには、これらの金属元素の化合物の加水分解により生成されるゾル、などを含むものである。これらの金属元素の錯体、アルコキシド化合物、塩としては、用いられる溶媒に可溶なものであれば、いずれのものでも用いることができる。加水分解によりゾルを生成する金属元素の化合物としては、アルコキシド化合物や塩が挙げられる。これらも用いられる溶媒に可溶なものであれば特に限定されない。これらの塗布溶液の溶媒としては、水、ブタノール、イソプロピルアルコールなどのアルコール類、その他の有機溶媒、またはこれらの混合物などが用いられる。
【００２９】
これらの溶液を圧力容器の内面に塗布するが、その方法としては、ディッピング、スプレー、スピンコーティング、ロールコーティング、バーコート等の方法が挙げられる。
次いで、これらの溶液が塗布された圧力容器を熱処理する。加熱方法としては、溶液が塗布された圧力容器を電気炉などの加熱炉中に保持して、容器全体を加熱する方法でもよいし、赤外線等により圧力容器の表面部分のみを加熱する方法でもよい。さらに、これらの加熱方法に限定されるものではなく、周知の加熱方法のいずれを採用してもよい。熱処理は１２０℃以上、６００℃以下で行うことが好ましい。熱処理温度が１２０℃より低いと溶液の加熱分解が不十分となり、緻密なコーティングが得られず、また、形成されたコーティングが不安定で経時変化や剥がれ等の問題が発生する。一方、熱処理温度が６００℃より高いと圧力容器本体への影響が考えられ、本体表面が結晶化する可能性がある。熱処理雰囲気は、大気中などの酸素を含む雰囲気とする。この熱処理により、圧力容器表面に、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＴｉＯ４およびＡｌ２Ｏ３からなるセラミックコーティングが形成される。
【００３０】
（エアロゾルデポジション法）
エアロゾルデポジション法もコーティングの形成に好適な方法である。エアロゾルデポジション法は、サブミクロンレベルのセラミック微粒子を、常温のガスに混ぜてエアロゾル状態にし、ノズルを通して高速噴射して基材に衝突させることで、基材の表面にセラミックをコーティングする手法である。この方法によれば、コーティングを形成させた後、材料微粒子をその融点以上の高温に加熱する必要がない。そのため、加熱に起因する、圧力容器本体の酸化や相変態などを防止することができるので有利である。セラミック粒子として、サブミクロンサイズのＺｒＯ２、ＴｉＯ２、およびＡｌ２Ｏ３微粒子を準備する。このようなエアロゾルデポジション法は、従来知られている任意の装置を用いて実施することができる。図２に、エアロゾルデポジション法によるセラミックスをコーティングする装置の概略構成の一例を示す。装置は、成膜チャンバー２１、ロータリポンプ２２、粒子ビーム濃度測定器２３、解砕・分級器２４、原料微粒子２５、エアロゾル発生器２６、マスフロー制御器２７、および高圧ガス２８にて構成されている。成膜チャンバーを圧力容器表面に設置し、構成された装置を作動させて、セラミックコーティング２９をコーティングすることができる。また、類似の方法としてコールドスプレー法を用いることもできる。
【００３１】
（プラズマ溶射法）
プラズマ溶射法によりコーティングを形成させることもできる。プラズマ溶射法とは、陰極と陽極間に電圧をかけ直流アークを発生させ、後方からＡｒガスなどを送給し電離させることでプラズマを発生させ、プラズマジェットを用いて溶射材料を加熱・加速し、溶融またはそれに近い状態にして基材に吹き付ける溶射のことである。このようなプラズマ溶射法のうち、減圧プラズマ溶射法を用いることがより好ましい。減圧プラズマ溶射は、低温でコーティングを形成できるので、圧力容器本体に対して熱影響が少ないため、好ましい手法である。減圧プラズマ溶射は、一般に制御された不活性ガス雰囲気中の中で行われる。図３にプラズマ溶射法によるセラミックスをコーティングする装置の概略構成の一例を示す。装置内部に、冷却水を通すライン３１と、作動ガスを吹込むエリア３２と、陰極３３、陽極３４、およびアーク発生装置３５を備えている。この装置にアルゴンなどの作動ガスを吹き込みながら、陰極３３および陽極３４の間に電圧をかけてプラズマを発生させ、溶射材料であるセラミックス粉末３６をプラズマ中に導入して装置先端から圧力容器内面に吹き付け、コーティングを形成させることができる。
【００３２】
（化学蒸着法）
化学蒸着法を利用してコーティングの形成させることもできる。化学蒸着法は、薄膜構成原子を含む化合物のガスを原料として、化学反応を利用して基材表面に成膜する方法であり、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）と呼ばれる。一般的なＣＶＤ法では、基材上に原料化合物を堆積させるものであるが、実施形態においては、圧力容器の表面に堆積させる直前から直後に原料に化学反応を起こさせて、その生成物を堆積させる。化学反応を起こさせるために、いくつかの手法があるが、比較的低温で実施可能な、プラズマもしくはレーザによって化学反応を起こさせる方法が好ましい。これらの方法を用いて施工すると、圧力容器に対する熱影響が低く抑えることができる。図４に、化学蒸着法によるセラミックスをコーティングする装置の概略構成を示す。図４はプラズマを使用して化学反応を起こさせる場合に用いる装置である。成膜チャンバー２１の中に、セラミックス原材料を供給する原材料ガス供給ライン４１と排気を行う排気ライン４２と、プラズマ発生装置４４と、プラズマ透過窓４３を設置させる。このチャンバー２１の内部を減圧し、原材料のガスを揮散させながら、プラズマによってエネルギーを付与して反応させ、圧力容器内面にコーティングを形成させる。化学反応させる原料ガスとして、形成させるセラミックスの前駆体を主成分として含むガスを用いて、化学反応させ、例えば、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２およびＡｌ２Ｏ３からなるコーティングを圧力容器の内面に形成させる。また、プラズマまたはレーザによって化学反応を起こさせる代わりに、セラミックスの原材料を圧力容器表面に堆積させたあと、１０００℃を超えない温度で熱処理して、セラミックコーティングとすることもできる。なお、プラズマに変えてレーザによって化学反応を起こさせることもできる。この場合、図４と同様な構成の装置を用いることができるが、プラズマ発生装置およびプラズマ透過窓に変えて、レーザ発生装置およびレーザ透過窓を備えるレーザ発生装置を用いればよい。
【００３３】
（原子炉格納容器）
実施形態による原子炉圧力容器は、一般的に原子炉における原子炉格納容器内に格納されている。ここで、原子炉格納容器は、コンクリートなどから構成されることもあるが、金属から構成されることもある。このような金属製の原子炉格納容器を用いた場合には、その内面、特に底部に、前記したものと同様のセラミックコーティングを形成させることが好ましい。原子炉格納容器は、冷却水などに直接接触することはないが、万が一炉心溶融が起こり、圧力容器から溶融物が流出した場合に、溶融物に接触する可能性がある。したがって、原子炉格納容器の内面にセラミックコーティングを形成させておくことで、原子炉外への溶融物流出を抑制することが可能になる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
１…圧力容器、２…上蓋、３…給水入口ノズル、４…中央部、５…炉底部・、６…燃料、７…水、２１…成膜チャンバー、２２…ロータリポンプ、２３…粒子ビーム濃度測定器、２４…解砕・分級器、２５…原料微粒子、２６…エアロゾル発生器、２７…マスフロー制御器、２８…高圧ガス、２９…セラミックコーティング、３１…冷却水ライン、３２…作動ガス吹込みエリア、３３…陰極、３４…陽極、３５…アーク、３６…セラミックス粉末、４１…原材料ガス供給ライン、４２…排気ライン、４３…プラズマ透過窓、４４…プラズマ発生装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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