(57)【要約】【課題】補修対象部位に溶接等による熱を加えることなく、耐食性を向上させることができる原子炉構造物の補修方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、原子炉構造物の補修方法は、金属材料からなる原子炉構造物の表面に発生したき裂状又は孔食状の損傷部を補修する補修方法である。この補修方法は、原子炉構造物の金属材料表面にあらかじめ生成している皮膜を除去する皮膜除去工程Ｓ２と、皮膜が除去された原子炉構造物の表面に中間層を形成する中間層形成工程Ｓ３と、損傷部内を封止して外部環境から遮断するメッキ層を形成するメッキ工程Ｓ４と、を有する。メッキ層は、タングステンを２２〜２７．７ａｔ．％含有するニッケル基合金により形成されている。【選択図】図１
2017156215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる原子炉構造物の表面に発生したき裂状又は孔食状の損傷部を補修する原子炉構造物の補修方法であって、
前記原子炉構造物の前記損傷部近傍にあらかじめ生成している皮膜を除去する皮膜除去工程と、
前記皮膜が除去された前記原子炉構造物の表面に中間層を形成する中間層形成工程と、
前記損傷部内を封止して外部環境から遮断するメッキ層を形成するメッキ工程と、を有し、
前記メッキ層は、タングステンを２２〜２７．７ａｔ．％含有するニッケル基合金により形成されることを特徴とする原子炉構造物の補修方法。
【請求項２】
前記メッキ層は、メッキ成膜指数が４４〜６９Ａ・ｃｍ−２・Ｋであることを特徴とする請求項１に記載の原子炉構造物の補修方法。
【請求項３】
金属材料からなる原子炉構造物の表面に発生したき裂状又は孔食状の損傷部を補修する原子炉構造物の補修方法であって、
前記原子炉構造物の前記損傷部近傍にあらかじめ生成している皮膜を除去する皮膜除去工程と、
前記皮膜が除去された前記原子炉構造物の表面に中間層を形成する中間層形成工程と、
前記損傷部内を封止して外部環境から遮断するメッキ層を形成するメッキ工程と、を有し、
前記メッキ層は、クロムを１９〜４９ａｔ．％含有する鉄基合金により形成されることを特徴とする原子炉構造物の補修方法。
【請求項４】
前記メッキ層は、メッキ成膜指数が３．７×１０−４〜４．０×１０−４Ａ・ｃｍ−２・Ｋ−１であることを特徴とする請求項３に記載の原子炉構造物の補修方法。
【請求項５】
金属材料の基材表面にき裂状又は孔食状の損傷部が形成された原子炉構造物であって、
前記基材の損傷部を密閉するように形成された中間層と、
前記中間層上を覆って形成され、タングステンを２２〜２７．７ａｔ．％含有するニッケル基合金からなるメッキ層と、
を備えることを特徴とする原子炉構造物。
【請求項６】
金属材料の基材表面にき裂状又は孔食状の損傷部が形成された原子炉構造物であって、
前記基材の損傷部を密閉するように形成された中間層と、
前記中間層上を覆って形成され、クロムを１９〜４９ａｔ．％含有する鉄基合金からなるメッキ層と、
を備えることを特徴とする原子炉構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、原子炉構造物及びその補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉及び加圧水型原子炉等を用いた原子力発電プラントでは、原子炉内の構造物及び機器（以下、原子炉構造物という。）の表面にき裂等の損傷が発生した場合、その原子炉構造物に対して構造上の健全性を評価し、その結果によって原子炉構造物の交換又は補修が行われている。
【０００３】
原子炉構造物に生じる代表的な損傷には、材料因子、環境因子、及び応力因子の三因子が重畳した場合に発生する可能性を有する応力腐食割れが挙げられる。一般に応力腐食割れによるき裂は、き裂先端において上記三因子の内、一つ以上の因子をなくすことで、その進展を防止できることが知られている。
【０００４】
そのため、き裂が生じた場合においても、それが原子炉構造物の健全性を確保可能な大きさであれば、き裂開口部を封止することで、き裂内部を外部環境から遮断し、その後のき裂の進展を停止させることができる。したがって、上記き裂開口部を封止することは、構造健全性を確保した上で原子炉の運転を継続可能とするために有効な手段である。
【０００５】
その他の損傷としては、原子力発電プラント内に意図しない海水が流入し、ハロゲンイオン濃度が増加した結果、原子炉構造物が孔食に代表される局部腐食を生じることが挙げられる。この場合も孔食の開口部を封止することで、孔食内部を外部環境から遮断し、その孔食の進展を停止させることができる。
【０００６】
上記き裂又は局部腐食等の開口部を封止することにより補修する方法としては、その開口部に肉盛溶接又は表面溶融による溶融層で欠陥部を被覆することにより、き裂開口部を外部環境から遮断する方法がある。
【０００７】
上述したそれぞれの方法は、施工部に熱を加える必要がある。そのため、原子炉運転中に中性子の照射を受けた材料に対して適用した場合には、施工後に熱処理を必要とする場合があるため、その施工期間が長期間になるという課題があった。
【０００８】
これに対して、他の補修方法では、電解メッキを用いてき裂内部に耐食金属層としてのメッキ層を形成することにより、原子炉構造物に熱を加えないで、き裂の進展を抑制している。上記メッキ層は、クロム単体、あるいはクロム単体及びニッケル単体から形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２４２２８０号公報
【特許文献２】特開平８−１７６８８１号公報
【特許文献３】特開２０１１−１６９６６８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】電析Ｎｉ−Ｗ合金めっき膜の微細構造と熱平衡状態図との関係  日本金属学会誌  第６５巻  第１１号（２００１）１０２３頁−１０２８頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記メッキ層は、原子炉内の高温高圧水の環境下に晒されるため、プラント供用期間を通じてき裂表面を被覆し、環境遮断し続けられる十分な耐食性が求められる。
【００１２】
上述したクロム単体のメッキ層は、クラックが発生しやすく、そのクラック部では下地金属との間で腐食が加速されるため、耐食性元素を含む合金のメッキ層が必要である。
【００１３】
しかしながら、現在のところ十分な耐食性を発現するための耐食性元素を含むメッキ層の組成は明らかにされておらず、実際に原子炉構造物のき裂進展に対する抑制効果があるのかも不明である。
【００１４】
本実施形態が解決しようとする課題は、補修対象部位に熱を加えることなく、耐食性を向上させることができる原子炉構造物及びその補修方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本実施形態に係る原子炉構造物の補修方法は、金属材料からなる原子炉構造物の表面に発生したき裂状又は孔食状の損傷部を補修する原子炉構造物の補修方法であって、前記原子炉構造物の前記損傷部近傍にあらかじめ生成している皮膜を除去する皮膜除去工程と、前記皮膜が除去された前記原子炉構造物の表面に中間層を形成する中間層形成工程と、前記損傷部内を封止して外部環境から遮断するメッキ層を形成するメッキ工程と、を有し、前記メッキ層は、タングステンを２２〜２７．７ａｔ．％含有するニッケル基合金により形成されることを特徴とする。
【００１６】
また、本実施形態に係る原子炉構造物の補修方法は、金属材料からなる原子炉構造物の表面に発生したき裂状又は孔食状の損傷部を補修する原子炉構造物の補修方法であって、前記原子炉構造物の前記損傷部近傍にあらかじめ生成している皮膜を除去する皮膜除去工程と、前記皮膜が除去された前記原子炉構造物の表面に中間層を形成する中間層形成工程と、前記損傷部内を封止して外部環境から遮断するメッキ層を形成するメッキ工程と、を有し、前記メッキ層は、クロムを１９〜４９ａｔ．％含有する鉄基合金により形成されることを特徴とする。
【００１７】
本実施形態に係る原子炉構造物は、金属材料の基材表面にき裂状又は孔食状の損傷部が形成された原子炉構造物であって、前記基材の損傷部を密閉するように形成された中間層と、前記中間層上を覆って形成され、タングステンを２２〜２７．７ａｔ．％含有するニッケル基合金からなるメッキ層と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、本実施形態に係る原子炉構造物は、金属材料の基材表面にき裂状又は孔食状の損傷部が形成された原子炉構造物であって、前記基材の損傷部を密閉するように形成された中間層と、前記中間層上を覆って形成され、クロムを１９〜４９ａｔ．％含有する鉄基合金からなるメッキ層と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本実施形態によれば、補修対象部位に熱を加えることなく、耐食性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態の原子炉構造物の補修方法を示すフローチャートである。
【図２】第１実施形態において原子炉構造物の表面に発生したき裂補修後の状態を示す断面図である。
【図３】第１実施形態において原子炉構造物の表面に発生した孔食補修後の状態を示す断面図である。
【図４】第１実施形態においてメッキ成膜指数を変えてメッキ層の成膜試験を実施した場合のメッキ層中のタングステン濃度結果を示す説明図である。
【図５】図４のメッキ成膜指数とタングステン濃度との相関関係を示す図である。
【図６】第１実施形態において原子炉構造物へのき裂進展抑制効果を検証した図である。
【図７】第２実施形態においてメッキ成膜指数を変えてメッキ層の成膜試験を実施した場合のメッキ層中のクロム濃度結果を示す説明図である。
【図８】図７のメッキ成膜指数とクロム濃度との相関関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本実施形態に係る原子炉構造物及びその補修方法について、図面を参照して説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の原子炉構造物の補修方法を示すフローチャートである。図２は第１実施形態において原子炉構造物の表面に発生したき裂補修後の状態を示す断面図である。図３は第１実施形態において原子炉構造物の表面に発生した孔食補修後の状態を示す断面図である。
【００２３】
図２及び図３に示すように、金属材料からなる原子炉構造物１の基材表面には、き裂２又は孔食４が発生しているものとする。ここで、本実施形態では、き裂２又は孔食４をまとめて説明する場合は損傷部とし、き裂２又は孔食４による開口部をまとめて説明する場合は損傷開口部とする。
【００２４】
また、原子炉構造物１とは、原子炉内に設置された構造物及び機器である。具体的には、例えば沸騰水型原子炉では、炉心を収納する原子炉圧力容器、炉心を包囲する炉心シュラウド、炉心の上下に設置された上部格子板及び炉心支持板、ジェットポンプ、ディフューザ、シュラウドサポートプレート、炉心スプレー配管等が挙げられる。炉心シュラウド、上部格子板、炉心支持板、ジェットポンプ、炉心スプレー配管等は、ステンレス鋼により構成されている。ディフューザ、シュラウドサポートプレート等には、ニッケル基合金により構成されている。
【００２５】
図２及び図３に示すように、原子炉構造物１の基材表面には、き裂２又は孔食４が形成されている。き裂２又は孔食４の開口部及びその近傍表面には、中間層５がその開口部を密閉するように形成されている。さらに、中間層５の上部には、メッキ層６が覆うように形成されている。
【００２６】
次に、本実施形態の原子炉構造物の補修方法について説明する。
【００２７】
原子炉構造物１のき裂２又は孔食４が形成された損傷開口部の近傍には、あらかじめ表面に酸化皮膜が生成されている。
【００２８】
図１に示すように、本実施形態の原子炉構造物の補修方法は、金属イオン源である金属塩等を溶解するメッキ液建浴工程（ステップＳ１）と、原子炉構造物の損傷部近傍にあらかじめ生成している酸化皮膜を除去する皮膜除去工程（ステップＳ２）と、この酸化皮膜が除去された原子炉構造物１の表面に中間層５を形成する中間層形成工程（ステップＳ３）と、損傷開口部内を封止して外部環境から遮断するメッキ層６を形成するメッキ工程（ステップＳ４）と、を有する。
【００２９】
ステップＳ１のメッキ液建浴工程では、金属塩類として例えば、硫酸ニッケル、塩化ニッケルの水溶液を規定の比率で調合し、各成分の濃度やｐＨを調整し、メッキできる状態にしておく。
【００３０】
ステップＳ２の皮膜除去工程では、その後形成するメッキ層６の密着性を向上させることを目的として原子炉運転中に原子炉構造物１の金属材料表面に生成している表面皮膜を除去する。
【００３１】
表面の皮膜を除去する方法としては、グラインダー加工、研磨加工、ブラスト材吹付加工等のうち少なくとも一種類の機械的処理と、シュウ酸や硫酸等の酸性溶液を用いて施工部であるき裂２又は孔食４の近傍を陽極とする電解処理のいずれかの処理を行う。
【００３２】
次いで、ステップＳ３の中間層形成工程では、無電解メッキ又は電解メッキにより中間層５を形成し、その中間層５の材質としては、例えばニッケル又は銅を用いている。
【００３３】
さらに、ステップＳ４のメッキ工程では、電解メッキによりメッキ層６を形成させ、き裂２又は孔食４が形成された損傷開口部を封止する。
【００３４】
本実施形態は、耐食性を向上させるため、メッキ層６の材質としてタングステンを２２ａｔ．％から２７．７ａｔ．％含有するニッケル基合金を用いている。また、タングステン濃度（以下、タングステン含有量ともいう。）は、望ましくは２２ａｔ．％から２５ａｔ．％である。このようなタングステン濃度のメッキ層６を得るためのメッキ成膜指数は、４４〜６９Ａ・ｃｍ−２・Ｋである。
【００３５】
この場合、タングステン濃度の限定理由は、非特許文献１に記載されているように、２２ａｔ．％を境界として、それ未満のタングステン濃度のものは結晶質であり、それ以上のタングステン濃度のものはアモルファスとなり高耐食性を備えている。また、非特許文献１に記載されているように、タングステン濃度が２７．７ａｔ．％のものもアモルファスであり高耐食性を備えていることが判っている。ここで、タングステン濃度は、後述する実験例に示すように２２ａｔ．％から２５ａｔ．％とした場合が望ましい高耐食性を有している。
【００３６】
上記電解メッキは、メッキ液中に存在する金属イオンを原子炉構造物１の表面において還元することで、金属層を形成する方法である。この電解メッキは、１００℃以下の低温で金属層を形成することが可能であり、かつ成膜速度も比較的早いという特徴がある。
【００３７】
具体的には、図２及び図３に示すようにき裂２又は孔食４による損傷開口部内には、外部環境に由来する水分が存在する。補修後は、上記損傷開口部にメッキ層６を形成させ、その損傷開口部内を外部環境から遮断する。メッキ層６は、損傷開口部内を外部環境から遮断することを目的とするため、必ずしもき裂２内部又は孔食４内部に形成される必要はない。
【００３８】
メッキ層６により封止された損傷開口部内では、電気化学反応の結果、損傷の進展に重要な役割を果たし腐食反応速度に影響を及ぼす因子である水中の溶存酸素が徐々に減少していく。しかし、損傷開口部内は、外部環境とメッキ層６により遮断されているため、外部環境からの溶存酸素の供給はなく、溶存酸素の濃度が低下することに伴い、腐食反応速度が顕著に抑制される。その結果として、き裂２又は孔食４の進展は停止する。
【００３９】
このように本実施形態によれば、皮膜除去工程（ステップＳ２）と、中間層形成工程（ステップＳ３）と、メッキ工程（ステップＳ４）とを有し、メッキ層６は、タングステンを２２〜２７．７ａｔ．％含有するニッケル基合金により形成されているので、補修対象部位に溶接等による熱を加えることなく、耐食性を向上させることが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態によれば、タングステン濃度を２２ａｔ．％から２５ａｔ．％とした場合には、より望ましい高耐食性が得られる。
【００４１】
（実験例）
図４は第１実施形態においてメッキ成膜指数を変えてメッキ層の成膜試験を実施した場合のメッキ層中のタングステン濃度結果を示す説明図である。図５は図４のメッキ成膜指数とタングステン濃度との相関関係を示す図である。
【００４２】
ニッケル基の合金について、図４に示すメッキ成膜指数[Ａ・ｃｍ−２・Ｋ]でメッキ層６の成膜試験を実施し、メッキ層６中のタングステンの含有量を測定した。ニッケル基合金のメッキ層中のタングステン含有量を測定すると図５に示す通りであった。
【００４３】
すなわち、図５に示すようにメッキ成膜指数［Ａ・ｃｍ−２・Ｋ］が４４〜６９の場合にタングステン含有量が２２ａｔ．％から２５ａｔ．％となる。したがって、メッキ成膜指数が４４〜６９［Ａ・ｃｍ−２・Ｋ］の場合に高い耐食性が得られる。
【００４４】
なお、メッキ成膜指数（ニッケル基合金）［Ａ・ｃｍ−２・Ｋ］は、以下の式１により求めることができる。
ＰＮｉ＝Ｉ×Ｔ×Ｃｗ［Ａ・ｃｍ−２・Ｋ］…（式１）
【００４５】
式１において、ＰＮｉ：メッキ成膜指数、Ｉ：電流密度［Ａ／ｃｍ２］、Ｔ：成膜温度［Ｋ］、ＣＷ：液中タングステンモル比［−］である。
【００４６】
このように上記メッキ成膜指数は、メッキ液建浴工程（ステップＳ１）とメッキ工程（ステップＳ４）における電流密度、成膜温度、液中タングステンモル比からなる。
【００４７】
図６は第１実施形態において原子炉構造物へのき裂進展抑制効果を検証した図である。
【００４８】
図６では、あらかじめき裂２を形成したニッケル基の基材にタングステンを２５ａｔ．％含有し、成膜指数が４８Ａ・ｃｍ−２・Ｋのニッケル基の合金メッキ層を施した試験片を作製し、沸騰水型原子炉を模擬した高温高圧水の環境下に試験片を浸漬した。
【００４９】
図６において、「初期」とは、き裂２を形成し、沸騰水型原子炉を模擬した高温高圧水の環境下に浸漬しない試験片を示している。「メッキあり」とは、き裂２を覆うようにメッキ層６を形成し、高温高圧水の環境下に浸漬した試験片を示している。「メッキなし」とは、き裂２を覆うようにメッキ層６を形成しないで、高温高圧水の環境下に浸漬した試験片を示している。
【００５０】
このような３種類の試験片を比較したところ、「初期」と「メッキあり」のき裂長さに著しい差異は見られなかった一方で、「メッキなし」のき裂深さは、「初期」及び「メッキあり」より大きいことから、上記組成のメッキ層６を被覆することによりき裂２の進展を抑制することができた。
【００５１】
（第２実施形態）
図７は第２実施形態においてメッキ成膜指数を変えてメッキ層の成膜試験を実施した場合のメッキ層中のクロム濃度結果を示す説明図である。図８は図７のメッキ成膜指数とクロム濃度との相関関係を示す図である。
【００５２】
なお、第２実施形態は、前記第１実施形態の変形例であり、前記第１実施形態とメッキ層の組成が異なるだけである。また、第２実施形態において、原子炉構造物の表面に発生したき裂又は孔食補修後の状態等は、前記第１実施形態と同様であるため、同一又は対応する部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００５３】
本実施形態は、耐食性を向上させるため、メッキ層６の材質としてクロムを１９ａｔ．％から４９ａｔ．％含有する鉄基合金を用いている。このようなクロム濃度のメッキ層６を得るためのメッキ成膜指数は、３．７×１０−４〜４．０×１０−４Ａ・ｃｍ−２・Ｋ−１である。
【００５４】
この場合のクロム濃度の限定理由を説明する。鉄基合金のメッキ層６中のクロムは、炉内での耐食性の使用実績のあるオーステナイト系ステンレス鋼と同等である１９ａｔ．％以上の含有量であることが望ましい。含有量が１９ａｔ．％未満では、十分な耐食性が得られない。また、クロム基のメッキ層６は、成膜時にクラックが発生し良好な膜質が得られにくいことから、クロムは４９ａｔ．％以下の含有量であることが望ましい。含有量が４９ａｔ．％を超えると、成膜時にクラックが発生し良好な膜質が得られない。
【００５５】
メッキ成膜指数（鉄基合金）［Ａ・ｃｍ−２・Ｋ−１］は、以下の式２により求めることができる。
ＰＦｅ＝Ｉ×Ｔ／ＣＣｒ［Ａ・ｃｍ−２・Ｋ−１］…（式２）
【００５６】
式２において、ＰＦｅ：メッキ成膜指数、Ｉ：電流密度［Ａ／ｃｍ２］、Ｔ：成膜温度［Ｋ］、ＣＣｒ：液中クロムモル比［−］である。
【００５７】
このように上記メッキ成膜指数は、メッキ液建浴工程（ステップＳ１）とメッキ工程（ステップＳ４）における電流密度、成膜温度、液中クロムモル比からなる。
【００５８】
前記第１実施形態の実験例と同様に、鉄基の合金について、図７に示すメッキ成膜指数でニッケル基の合金と同様にメッキ層６の成膜試験を実施し、クロムの含有量を同様の方法で測定した。鉄基合金のメッキ層中のクロムの含有量を測定すると図８に示す通りであった。
【００５９】
このように本実施形態によれば、皮膜除去工程（ステップＳ２）と、中間層形成工程（ステップＳ３）と、メッキ工程（ステップＳ４）とを有し、メッキ層６は、クロムを１９ａｔ．％から４９ａｔ．％含有する鉄基合金により形成されているので、補修対象部位に溶接等による熱を加えることなく、耐食性を向上させることが可能となる。このようなクロム濃度のメッキ層６を得るためのメッキ成膜指数は、３．７×１０−４〜４．０×１０−４Ａ・ｃｍ−２・Ｋ−１である。
【００６０】
（その他の実施形態）
本発明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。これらの実施形態は、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、組み合わせを行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００６１】
１…原子炉構造物、２…き裂、４…孔食、５…中間層、６…メッキ層
【図１】
2017156215.tif 000003
【図２】
2017156215.tif 000004
【図３】
2017156215.tif 000005
【図４】
2017156215.tif 000006
【図５】
2017156215.tif 000007
【図６】
2017156215.tif 000008
【図７】
2017156215.tif 000009
【図８】
2017156215.tif 000010