(57)【要約】【課題】中性子照射を受けた部材の損傷を、少ない工程で短時間に精度よく診断する。【解決手段】原子炉の炉内で中性子照射を受けた炉内機器の診断方法において、炉内機器の評価対象部位とほぼ同一の材質の小型試料を、その評価対象部位の近傍に設置して（工程Ｓ１）、所定の期間、原子炉を運転する（工程Ｓ２）。その後、小型試料を原子炉から回収して被測定表面に硬さ測定用押込み圧子を押込み、押込み深さと押込み荷重との関係を求める（工程Ｓ３）。その押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて硬さと押込み荷重との関係を求める（工程Ｓ４）。また、炉内機器の物性値と硬さとの関係を表すマスターカーブを作成しておく（工程Ｓ５）。硬さと押込み荷重との関係およびマスターカーブに基づいて評価対象部位の機械特性を評価する（工程Ｓ６）。【選択図】図１
2008170299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の炉内で中性子照射を受けた炉内機器の診断方法において、
前記炉内機器の評価対象部位とほぼ同一の材質の小型試料を、その評価対象部位の近傍に設置する試料設置工程と、
前記試料設置工程の後に、所定の期間、前記原子炉を運転する運転工程と、
前記運転工程の後に、前記小型試料を前記原子炉から回収する工程と、
前記原子炉から回収された前記小型試料の被測定表面に硬さ測定用押込み圧子を押込み、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定工程と、
前記硬さ測定工程で求められた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて硬さと押込み荷重との関係を求める解析工程と、
前記炉内機器の物性値と硬さとの関係を表すマスターカーブを作成する工程と、
前記解析工程で求められた硬さと押込み荷重との関係および前記マスターカーブに基づいて前記評価対象部位の機械特性を評価する評価工程と、
を有することを特徴とする炉内機器の診断方法。
【請求項２】
前記試料設置工程の前に、前記小型試料の表面の平滑加工工程を有することを特徴とする請求項１に記載の炉内機器の診断方法。
【請求項３】
前記平滑加工工程は、アルミナ粉による研磨工程、ダイヤモンドペーストによる研磨工程、および、電界研磨工程の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２に記載の炉内機器の診断方法。
【請求項４】
前記硬さ測定用押込み圧子は、三角錐型のダイヤモンド圧子であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の炉内機器の診断方法。
【請求項５】
前記マスターカーブは、降伏応力および引張強さの少なくとも一方と硬さとの関係を表すものを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炉内機器の診断方法。
【請求項６】
前記マスターカーブは、加工硬化指数、一様伸び、破断伸びおよび破壊靱性の少なくともひとつと、硬さ押込み荷重曲線の傾きとの関係を表すものを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の炉内機器の診断方法。
【請求項７】
前記硬さ測定工程で押込み深さと押込み荷重との関係を求めた前記小型試料を、前記評価対象部位の近傍に再び設置する試料再設置工程を有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の炉内機器の診断方法。
【請求項８】
原子炉の炉内で中性子照射を受けた炉内機器を診断する診断装置において、
前記炉内機器の評価対象部位とほぼ同一の材質で、その評価対象部位の近傍に設置されて中性子を照射される小型試料と、
前記小型試料の被測定表面に硬さ測定用押込み圧子を押込み、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定器と、
前記硬さ測定工程で求められた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて硬さと押込み荷重との関係を求める解析手段と、
前記解析工程で求められた硬さと押込み荷重との関係および前記炉内機器の物性値と硬さとの関係を表すマスターカーブに基づいて前記評価対象部位の機械特性を評価する評価手段と、
を有することを特徴とする炉内機器の診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉の炉内で中性子照射を受けた炉内機器の診断方法および診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントで運転中に中性子照射を受ける部位の材料は、一般に照射脆化と呼ばれる材質変化が起こり、プラントの健全性に影響を及ぼすおそれがある。照射脆化による具体的な材料物性値への影響としては、材料の硬さおよび降伏応力の増加、延性および靭性の低下が挙げられる。さらには、照射脆化は、応力ひずみ関係として記述される塑性変形抵抗や、破壊靭性のようなき裂進展抵抗などの変化として表れる。
【０００３】
プラント機器の健全性を精度良く評価するには、上記の材料特性値を正確に知ることが望ましい。たとえば、硬さの変化のみで照射損傷を簡易的に推定することはできるが、それに加えて定量的な機械特性の変化が得られれば、機器の構造健全性を精度よく評価でき、機器信頼性の診断が可能になる。
【０００４】
材料特性値に適した試験片の形状、寸法は、ＪＩＳなどの基準に定められている。材料特性値を知るためには、評価対象部位から知りたい材料特性値に対応した形状、寸法の様々な試験片を採取する必要がある。
【０００５】
しかし、採取により機器表面部を著しく破壊した場合は、プラント再運転開始前に採取跡を溶接埋め戻し等の補修が必要となる。埋め戻し作業をしない、あるいはできない場合は、試験片採取跡が機器の健全性に及ぼす影響を最小限に抑えるために、採取体積を最小限に抑える技術が提案されている。たとえば特許文献１には、破壊試験が可能な限りの最小寸法のミニチュア引張試験片を用いた劣化診断方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２および特許文献３には、中性子照射損傷を硬さ試験により診断する方法が開示されている。これは、原子力プラントの機器の中性子照射損傷を硬さ試験により求める方法において、測定用押込み圧子の被測定表面への押し込み深さと押込み荷重を用いて計算される硬さ値と当該損傷部位を構成する材料の照射損傷の相関関係を予め定量化して表しておいたマスターカーブに、前記損傷部位で測定された硬さ値を当てはめ照射損傷を評価することを特徴とする照射損傷診断方法である。
【特許文献１】特開平６−１１５００号公報
【特許文献２】特開２００３−２９４８８０号公報
【特許文献３】特開２００５−３３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
中性子照射を受けた部材の損傷を、その部材からの試料採取により評価する場合には、試料を少量採取するための部材切断装置や、採取した試料の回収装置が必要である。さらに採取した試料を観察可能な形状に加工する工程が必要となる。
【０００８】
一方、材料特性値に適した試験片を予め原子炉炉内機器の近傍に設置し、原子炉運転中に中性子照射が成された試験片を回収して材料評価を行う方法もある。しかし、この方法では、破壊試験が可能な最小寸法のミニチュア引張試験片などを用いても、原子炉炉内形状の制約から、設置可能な試験片の個数が限定されてしまう。このため、材質の経時変化を詳細に評価することが難しい。
【０００９】
したがって中性子照射を受けた部材の損傷を、より少ない工程で短時間に精度よく評価する技術が求められている。
【００１０】
そこで、本発明は、中性子照射を受けた部材の損傷を、少ない工程で短時間に精度よく診断することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明は、原子炉の炉内で中性子照射を受けた炉内機器の診断方法において、前記炉内機器の評価対象部位とほぼ同一の材質の小型試料を、その評価対象部位の近傍に設置する試料設置工程と、前記試料設置工程の後に、所定の期間、前記原子炉を運転する運転工程と、前記運転工程の後に、前記小型試料を前記原子炉から回収する工程と、前記原子炉から回収された前記小型試料の被測定表面に硬さ測定用押込み圧子を押込み、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定工程と、前記硬さ測定工程で求められた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて硬さと押込み荷重との関係を求める解析工程と、前記炉内機器の物性値と硬さとの関係を表すマスターカーブを作成する工程と、前記解析工程で求められた硬さと押込み荷重との関係および前記マスターカーブに基づいて前記評価対象部位の機械特性を評価する評価工程と、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、原子炉の炉内で中性子照射を受けた炉内機器を診断する診断装置において、前記炉内機器の評価対象部位とほぼ同一の材質で、その評価対象部位の近傍に設置されて中性子を照射される小型試料と、前記小型試料の被測定表面に硬さ測定用押込み圧子を押込み、押込み深さと押込み荷重との関係を求める硬さ測定器と、前記硬さ測定工程で求められた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて硬さと押込み荷重との関係を求める解析手段と、前記解析工程で求められた硬さと押込み荷重との関係および前記炉内機器の物性値と硬さとの関係を表すマスターカーブに基づいて前記評価対象部位の機械特性を評価する評価手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、中性子照射を受けた部材の損傷を、少ない工程で短時間に精度よく診断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る中性子照射部材の診断方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
図２は、本発明に係る中性子照射部材の診断方法の第１の実施の形態に用いる中性子照射部材診断装置の構成図である。
【００１６】
中性子照射部材診断装置１は、小型試料３を置く試料台２２、および、小型試料３に押込まれる硬さ測定用押込み圧子２１を有している。
【００１７】
取り付ける小型試料の形状としては、厚さを０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下とし、面積を１ｍｍ２以上、１００ｍｍ２以下とする。厚さ０．１ｍｍ、面積１ｍｍ２は、硬さ測定時に最小限必要な大きさである。また、限られた原子炉の炉内の空間に多数の小型試料が設置できるように大きさを、厚さ２０ｍｍ、面積１００ｍｍ２以下に設定している。
【００１８】
硬さ測定用押込み圧子２１に負荷される荷重は荷重制御測定器２５で制御されるとともに、測定される。硬さ測定用押込み圧子２１としては、三角錐型のダイヤモンド圧子を用いることにより、高感度の機械特性評価を行うことができる。また、硬さ測定用押込み圧子２１の押込み深さは押込み深さ測定器２４において測定される。
【００１９】
荷重制御測定器２５および押込み深さ測定器２４の測定結果は解析手段２６に伝達され、解析手段２６の出力は評価手段２７に伝達される。
【００２０】
図１は、本実施の形態における中性子照射部材の診断方法の流れ図である。
【００２１】
本実施の形態の中性子照射部材の診断方法では、まず、診断対象の原子炉の炉内機器と同一材質の小型試料を予めその炉内機器の評価対象部位の近傍に取り付ける（工程Ｓ１）。取り付ける小型試料の表面を、アルミナ粉またはダイヤモンドペーストによる研磨、あるいは電解研磨によって平滑に加工しておいてもよい。このような、平滑加工を施しておくと、中性子照射した試料を回収した後、すぐに硬さを測定することができる。
【００２２】
図３は、本実施の形態における小型試料の配置を示す原子炉容器の縦断面図である。図４は、本実施の形態における小型試料の配置を示す炉心シュラウドの横断面図である。図５は、本実施の形態における小型試料を収める小型試料照射容器の正面図である。
【００２３】
本実施の形態では、沸騰水型原子炉における炉心を収容する炉心シュラウド１８を診断対象としている。炉心シュラウド１８は、高温水中での耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼で形成されており、原子炉圧力容器１９の内部に配設されている。この炉心シュラウド１８の評価対象部位２０の近傍に、小型試料照射容器１２を配置する。小型試料照射容器１２の内部には小型試料３が収められる。
【００２４】
小型試料照射容器１２は、その内部に収められたまたは一体となった小型試料３が、評価対象部位２０と同等の中性子照射を受けるように、たとえば容器であればその容器の板厚を薄くしたり、中性子吸収が小さい材質で作成することが望ましい。また、照射中の温度も評価対象部位２０と同等になるように、たとえば小型試料照射容器１２の内部にも冷却材を流すようにしておいてもよい。
【００２５】
また、上部格子板１７のような他の炉内機器の評価を行う場合には、その炉内機器と同等の中性子照射を受ける場所に小型試料照射容器１２を配設しておく。
【００２６】
その後の所定の期間、原子炉を運転し、小型試料を中性子照射する（工程Ｓ２）。
【００２７】
次に、所定の期間原子炉を運転した後、定期検査などにより原子炉が停止している期間に、中性子照射した小型試料３を回収し、その小型試料の硬さを測定する（工程Ｓ３）。
【００２８】
図６は、本実施の形態における押込み深さと押込み荷重の測定結果の例を示すグラフである。
【００２９】
硬さの測定では、押込み深さ測定器２４によって、小型試料の被測定表面に硬さ測定用押込み圧子を押し込みながら押込み深さを測定して押込み荷重と押込み深さの関係を求める。この測定結果は、解析手段２６に伝達される。機械的特性を精度よく評価するためには、押込み荷重を１００ｍＮ以下の範囲で、押込み硬さを測定することが望ましい。
【００３０】
得られた押込み深さと押込み荷重との関係に基づいて硬さ解析を行い、硬さと押込み荷重との関係を求める（工程Ｓ４）。硬さＨは、次式により算出する。
【００３１】
Ｈ＝ｋ・Ｐ／ｈ２
ここでｋは押込み圧子の形状に依存する比例係数、Ｐは押込み荷重、ｈは押込み深さである。
【００３２】
図７は、本実施の形態において算出した押込み荷重と硬さとの関係の例を示すグラフである。この関係を、硬さ加重曲線と呼ぶ。
【００３３】
また、小型試料の中性子照射および硬さ測定と並行して、物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブを作成しておく（工程Ｓ５）。マスターカーブは、評価手段２７に格納しておく。
【００３４】
図８は、降伏応力と硬さの関係の例を示したグラフである。図９は引張強さと硬さの関係の例を示したグラフである。図１０は、硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きに対する加工硬化指数の変化の例を示したグラフである。図１１は、硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きに対する一様伸びの変化の例を示したグラフである。図１２は、硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きに対する破断伸びの変化の例を示したグラフである。
【００３５】
図８ないし図１２は、いずれも診断対象の原子炉の炉内機器と同一材質の物性値と硬さの関係を定式化したマスターカーブである。なお、マスターカーブは、図８および図９に示す関係のように物性値と硬さそのものの関係であってもよいし、図１０ないし図１２に示す関係のように硬さと押し込み加重との関係曲線（硬さ加重曲線）の傾きと物性値との関係であってもよい。
【００３６】
硬さと押込み荷重との関係（図７）とマスターカーブを用いて、機械特性評価を行う（工程Ｓ６）。この機械特性評価は、マスターカーブを用いて降伏応力や引張強さ、加工硬化指数、一様伸び、破断伸び、破壊靱性の全て、もしくはいずれかの機械特性値を得る。この評価は、評価手段２７に行わせることができる。
【００３７】
マスターカーブに、小型試料について測定された硬さを当てはめることによって、降伏応力や引張強さなどの機械特性値を算出することができる。また、マスターカーブに、小型試料について測定された硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きを当てはめ、加工硬化指数、一様伸び、破断伸びなどの機械特性値を算出することができる。
【００３８】
本実施の形態によれば、引張試験片や破壊靱性測定用試験片などを用いた材料強度試験に比べ作業が簡易で、かつ試料の小型化が容易であり、多数の小型試料を炉内に設置して精度の高い材料特性の診断を行うことが可能になる。つまり、中性子照射を受けた部材の損傷を、少ない工程で短時間に精度よく診断することができる。
【００３９】
さらに、工程Ｓ３で硬さを測定した小型試料を、再び原子炉の炉内機器の評価対象部位の近傍に取り付けて中性子照射した後、再度硬さを測定してもよい。この方法を用いると、少ない数の小型試料で機械特性評価をすることができるため、放射化した測定済み試料の数を低減することができる。
【００４０】
小型試料は、原子力発電プラントの建設時に取り付けておいてもよいし、既に運転中のプラントを補修のために原子炉の炉内機器を交換した際に交換した機器と同一材質の小型試料を取り付けておいてもよい。このようにすると、小型試料の中性子照射量は、評価対象の機器と同等となるため、評価精度が向上する。
【００４１】
上述の実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。さらに、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る中性子照射部材の診断方法の第１の実施の形態における流れ図である。
【図２】本発明に係る中性子照射部材の診断方法の第１の実施の形態に用いる中性子照射部材診断装置の構成図である。
【図３】本発明に係る中性子照射部材の診断方法の第１の実施の形態における小型試料の配置を示す原子炉容器の縦断面図である。
【図４】本発明に係る中性子照射部材の診断方法の第１の実施の形態における小型試料の配置を示す炉心シュラウドの横断面図である。
【図５】本発明に係る中性子照射部材の診断方法の第１の実施の形態における小型試料を収める小型試料照射容器の正面図である。
【図６】本発明に係る中性子照射部材の診断方法の第１の実施の形態における押込み深さと押込み荷重の測定結果の例を示すグラフである。
【図７】本発明に係る中性子照射部材の診断方法の第１の実施の形態において算出した押込み荷重と硬さと関係の例を示すグラフである。
【図８】降伏応力と硬さの関係の例を示したグラフである。
【図９】引張強さと硬さの関係の例を示したグラフである。
【図１０】硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きに対する加工硬化指数の変化の例を示したグラフである。
【図１１】硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きに対する一様伸びの変化の例を示したグラフである。
【図１２】硬さと押込み荷重との関係曲線の傾きに対する破断伸びの変化の例を示したグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１…中性子照射部材診断装置、３…小型試料、１２…小型試料照射容器、１７…上部格子板、１８…炉心シュラウド、１９…原子炉圧力容器、２０…評価対象部位、２１…硬さ測定用押込み圧子、２２…試料台、２４…押込み深さ測定器、２５…荷重制御測定器、２６…解析手段、２７…評価手段
【図１】
2008170299.tif 000003
【図２】
2008170299.tif 000004
【図３】
2008170299.tif 000005
【図４】
2008170299.tif 000006
【図５】
2008170299.tif 000007
【図６】
2008170299.tif 000008
【図７】
2008170299.tif 000009
【図８】
2008170299.tif 000010
【図９】
2008170299.tif 000011
【図１０】
2008170299.tif 000012
【図１１】
2008170299.tif 000013
【図１２】
2008170299.tif 000014