(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の炉内構造物に発生した欠陥部分を新たな構成材料の置換によって健全化する原子炉の炉内構造物補修方法において、前記炉内構造物の欠陥部分を含む領域の材料を除去するテーパ状の孔を形成する欠陥部分除去工程と、前記テーパ状の孔にこれと略同一のテーパをもつ新たな構成材料からなる補修部材に対して、回転手段により回転させつつ、加圧手段により一定以上の圧力を加え圧接させることにより摩擦力を与えて接合させる摩擦圧接補修工程と、この摩擦圧接補修工程で前記炉内構造物と新たな構成材料との接合部の余剰部分およびその周囲に発生したバリを除去する整形工程とを備え、
前記炉内構造物に形成する孔のテーパ角度と補修部材のテーパ角度との差を２０°以下に設定するとともに、
前記回転手段として、モータと、モータによって回転駆動される主軸と、この主軸と一体回転するフライホイールと、前記主軸に補修部材を着脱可能に連結するチャックと、このチャックによる前記主軸と前記補修部材との連結部を支持する軸受を備えたものを使用し、
前記モータと前記主軸との間にこれらを切り離し可能なクラッチ手段を配置し、かつ
欠陥部分除去工程、摩擦圧接補修工程および整形工程のうち少なくとも摩擦圧接補修工程は、水中で施工し、前記モータ、前記主軸、前記フライホイールおよび前記クラッチ手段を含み前記補修部材と前記チャックの一部とを除く部分をシールドボックスによって密封状態で囲み、そのシールドボックス内に気体を充填した状態で行うことを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法。
【請求項２】
請求項１記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、炉内構造物に形成する孔のテーパ角度と補修部材のテーパ角度とを、１２０°以下に設定することを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、炉内構造物に形成するテーパ状の孔の小径端部側の一部を逆テーパとすることを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、炉内構造物に生じている欠陥が、１回の欠陥部分除去工程で形成される孔および１回の摩擦圧接補修工程で形成される補修部分の径を超える範囲に連続的に存在する場合、欠陥部分除去工程、摩擦圧接補修工程および整形工程を順次に、かつ各工程の施工位置を一部ラップさせて行うことを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれかに記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、摩擦圧接補修工程では、補修部分を真空または不活性雰囲気中に保つことを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれかに記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、補修対象物として、中性子照射を受けたステンレス鋼製の炉内構造物を適用することを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉の炉内構造物に発生した欠陥部分を定期点検等の際に補修する原子炉の炉内構造物補修方法に係り、特に信頼性の高い補修を可能にする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば沸騰水型原子炉の炉心シュラウド等、炉内構造物の一部にき裂等の欠陥が発生した場合の対策として、その欠陥部分を新たな構成材料で置換することが考えられ、その方法として、例えば溶接技術による補修を行うことが提案されている。ところが、中性子照射を受けている炉内構造物を例えばＴＩＧによって溶接補修した場合には、補修部の変形が大きくなることが認められる。
【０００３】
また、中性子照射を受けた炉内構造物は、材料内部にヘリウムが生成されており、このようにヘリウムを含んだ中性子照射材を溶接により加熱した場合には、溶接熱によってヘリウムが結晶粒界に凝集し、熱収縮時の引張応力によって割れが生じる可能性がある。
【０００４】
さらに、レーザによる溶接補修も考えられるが、中性子照射量の多い炉内構造物をレーザにて溶接補修した場合にも、同様に割れを生じる可能性がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来考えられている溶接技術を利用する炉内構造物の補修方法では、補修時の入熱が大きいため、補修部が大きく変形したり、溶接割れが発生する可能性がある。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、第１の目的は補修時の低入熱化を図り、それにより熱変形を抑制することができるとともに、材料の割れを防止することができ、欠陥等の修復による健全化が良好に行える原子炉の炉内構造物の補修方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明では、原子炉の炉内構造物に発生した欠陥部分を新たな構成材料の置換によって健全化する原子炉の炉内構造物補修方法において、前記炉内構造物の欠陥部分を含む領域の材料を除去するテーパ状の孔を形成する欠陥部分除去工程と、前記テーパ状の孔にこれと略同一のテーパをもつ新たな構成材料からなる補修部材に対して、回転手段により回転させつつ、加圧手段により一定以上の圧力を加え圧接させることにより摩擦力を与えて接合させる摩擦圧接補修工程と、この摩擦圧接補修工程で前記炉内構造物と新たな構成材料との接合部の余剰部分およびその周囲に発生したバリを除去する整形工程とを備え、前記炉内構造物に形成する孔のテーパ角度と補修部材のテーパ角度との差を２０°以下に設定するとともに、前記回転手段として、モータと、モータによって回転駆動される主軸と、この主軸と一体回転するフライホイールと、前記主軸に補修部材を着脱可能に連結するチャックと、このチャックによる前記主軸と前記補修部材との連結部を支持する軸受を備えたものを使用し、前記モータと前記主軸との間にこれらを切り離し可能なクラッチ手段を配置し、かつ欠陥部分除去工程、摩擦圧接補修工程および整形工程のうち少なくとも摩擦圧接補修工程は、水中で施工し、前記モータ、前記主軸、前記フライホイールおよび前記クラッチ手段を含み前記補修部材と前記チャックの一部とを除く部分をシールドボックスによって密封状態で囲み、そのシールドボックス内に気体を充填した状態で行うことを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法を提供する。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、炉内構造物に形成する孔のテーパ角度と補修部材のテーパ角度とを、１２０°以下に設定することを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法を提供する。
【０００９】
請求項３の発明では、請求項１または２記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、炉内構造物に形成するテーパ状の孔の小径端部側の一部を逆テーパとすることを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法を提供する。
【００１０】
請求項４の発明では、請求項１から３までのいずれかに記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、炉内構造物に生じている欠陥が、１回の欠陥部分除去工程で形成される孔および１回の摩擦圧接補修工程で形成される補修部分の径を超える範囲に連続的に存在する場合、欠陥部分除去工程、摩擦圧接補修工程および整形工程を順次に、かつ各工程の施工位置を一部ラップさせて行うことを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法を提供する。
【００１１】
請求項５の発明では、請求項１から４までのいずれかに記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、摩擦圧接補修工程では、補修部分を真空または不活性雰囲気中に保つことを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法を提供する。
【００１２】
請求項６の発明では、請求項１から５までのいずれかに記載の原子炉の炉内構造物補修方法において、補修対象物として、中性子照射を受けたステンレス鋼製の炉内構造物を適用することを特徴とする原子炉の炉内構造物補修方法を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る原子炉の炉内構造物補修方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
まず、図１によって本実施形態による炉内構造物補修方法を概略的に説明する。
【００１５】
本実施形態では前工程として、超音波探傷法その他の非破壊検査法により、炉内構造物にき裂等の欠陥が発生しているか否かの検査を行う。
【００１６】
図１（Ａ）は、この検査によって欠陥が発見された炉内構造物１の様子を例示したものであり、この図１（Ａ）の例では、ステンレス鋼で構成された板状の炉内構造物１の厚さ方向全体に亘って、き裂等の欠陥２が発生している。
【００１７】
本実施形態では、この炉内構造物１の欠陥２部分を除去する欠陥部分除去工程と、この除去された欠陥部分に新たな構成材料からなる補修部材を嵌合して一定以上の圧力を加えつつ回転することにより摩擦力を与えて接合させる摩擦圧接補修工程と、これにより形成された接合部の余剰部分およびその周囲に発生したバリを除去する整形工程とを備える。
【００１８】
図１（Ｂ）は、欠陥部分除去工程で炉内構造物にテーパ状の孔３を形成した状態を示している。この孔あけ加工は、例えばドリル、放電加工（ＥＤＭ）等によって行い、これにより図１（Ａ）で示した炉内構造物１の欠陥２部分を含む領域の材料を除去する。
【００１９】
図１（Ｃ）は、摩擦圧接補修工程で炉内構造物１の孔３に補修部材４を嵌合し、圧接力Ｆを与えつつ回転させる様子を示している。補修部材４は炉内構造物１と同一のステンレス鋼で構成された柱状のものとし、この補修部材４の主要部分、つまり孔３に嵌合させる部分の外周面は、孔３と略同一テーパ角度をもつ円錐面としておく。
【００２０】
この補修部材４の圧接回転により、炉内構造物１の孔３の内周面と補修部材４の外周面とを摩擦熱で融着させる。
【００２１】
図１（Ｄ）は、補修部材４が炉内構造物１の孔３内を貫通し、接合部全体が融着した後、補修部材４の回転を停止した状態を示している。この状態では、図１（Ｂ）で示した炉内構造物１の孔３が補修部材４によって完全に埋まり、図１（Ａ）で示した欠陥２部分が新たな材料で置換される。なお、この状態では補修部材４の軸方向両端部が炉内構造物１の厚さ方向両面から突出するとともに、補修部の周辺にバリ５が発生している。そこで、この後に切削、研摩等の加工による整形工程を行うことにより、補修部材４の余剰部分およびバリ５を除去する。
【００２２】
図１（Ｅ）は、整形工程により補修加工面を炉内構造物１の両面と一致させた仕上げ状態を示している。このように、本実施形態では欠陥２が除去された部分を補修部材４による新たな材料で置換することにより、炉内構造物１を健全化するとともに元の形状に復元させるものである。
【００２３】
次に、図２以下によって本実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
図２〜図４は、本実施形態による摩擦圧接条件、即ち、適用する炉内構造物１の板厚ｔ、補修すべき欠陥２を含む領域の範囲（直径）ｄ、形成する孔２のテーパ角度α、適用する補修部材４のテーパ角度β、回転数ｎ、加圧力Ｆ等を説明するための図である。
【００２５】
これらの条件として、本実施形態では炉内構造物１の板厚ｔを４mm、補修すべき欠陥２を含む領域の範囲（直径）ｄを５mmに設定した。
【００２６】
また、形成する孔２のテーパ角度αおよび適用する補修部材４のテーパ角度βを、ともに１２０°以下に設定し、かつαとβとの差を２０°以下の範囲に収めた。
【００２７】
そして、補修部材４の回転数ｎを５００〜５０００ｒｐｍ、加圧力Ｆを３００〜１０００００Ｎの範囲に設定して、摩擦圧接補修を行った。
【００２８】
この結果、炉内構造物１の孔２の外周部分と補修部材４の外周面部分との圧接部には欠陥が認められなかった。また、この圧接部は殆ど溶融しないため、ＴＩＧ溶接と比べて材料への入熱が小さく、溶接時に入熱によって発生したような割れが防止できるとともに、入熱による変形も殆ど生じなことが確認された。
【００２９】
また、本実施形態では予め欠陥部を除去することから、新たなき裂の進展を防止することができ、さらに補修部材の余剰部分や、摩擦圧接によって生じたバリは、整形工程で除去することにより、摩擦圧接に起因する腐食等も防止することができた。
【００３０】
ここで、炉内構造物１の欠陥２を除去するために形成する孔３のテーパ角度αと、この孔３に嵌合する補修部材４のテーパ角度βとの差を２０°以下に設定したことについて、図３および図４によって説明する。図３はαとβとの差を２０°以下に設定した場合を示し、図４はαとβとの差を２０°超とした場合を示している。
【００３１】
図３に示すように、αとβとの差を２０°以下とした場合には、圧接初期の接触面が少ないので、初期トルクが小さくて済むとともに、補修部材４を孔３内に挿入した状態での隙間が小さく、摩擦圧接回転時の接触面の変形によって隙間部分が容易になくなり、炉内構造物１と補修部材との一体化が容易かつ確実となる。
【００３２】
これに対し、図４に示すように、αとβとの差を２０°超とした場合には、炉内構造物１と補修部材４との隙間が大きくなり、排出するバリによってその面積を埋めるのが困難となり、未接合部が発生する。したがって、本発明では、αとβとの差を２０°以下とすることが望ましい。
【００３３】
なお、図５は、炉内構造物１に形成する孔３の変形例を示したものである。この図５に示す例では、炉内構造物１に形成する孔３の小径端部側の一部を逆テーパとしてある。このような構成によれば、摩擦圧接時に補修部材４の挿入端部側に発生するバリが逆テーパ状の開口部分から排出され易くなり、これにより未接合部が減少し、補修部の健全性向上が図れるようになる。
【００３４】
次に、図６によって摩擦圧接補修工程で使用する炉内構造物補修装置について説明する。
【００３５】
図６に示すように、この炉内構造物補修装置１０は、基本的に、炉内構造物１と同一の素材で構成され、その外周面の少なくとも主要部が一定のテーパ角度を持つ円錐面をなす柱状の補修部材４と、この補修部材４に軸心回りの回転力を与える回転手段１１と、この回転手段１１によって回転する補修部材４を炉内構造物１の孔３部分に一定以上の加圧力で圧接させる図示しない加圧手段と、補修部材４から回転手段１１への回転力の伝達を制御するクラッチ手段１２とを備えている。
【００３６】
具体的に説明すると、回転手段１１は駆動源としてのモータ１３と、このモータ１３によって回転駆動される主軸１４と、この主軸１４と一体回転するフライホイール１５と、主軸１４に補修部材を着脱可能に連結するチャック１６と、このチャック１６による主軸１４と補修部材４との連結部を支持する軸受１７とを備えている。クラッチ手段１２は、モータ１３と主軸１４との間にこれらを切り離し可能として配設されている。
【００３７】
これらの構成要素が、図示しない三軸ロボット等に装着され、そのロボットを原子炉内の補修部位に遠隔操作によって導入できるようにしてある。
【００３８】
そして、使用時においては、この炉内構造物補修装置１０を原子炉内に導入し、予め炉内構造物１に形成した孔３に対して補修部材４を嵌合する。この状態で遠隔操作によりモータ１３の図示しないスイッチをオン操作するとともに、クラッチ手段１２を接合状態として主軸１４およびフライホイール１５を回転させ、これにより補修部材４を高速回転させる。
【００３９】
所定の回転数に達したら、クラッチ手段１２を切状態とし、この状態で図示しない加圧手段によって補修部材４を炉内構造物１に圧接させ、これにより摩擦圧接補修加工を行う。補修部材４は炉内構造物１との摩擦圧接により一定時間後に停止するので、モータ回転数および摩擦圧接力を予め設定しておくことにより、摩擦熱による補修部材４と炉内構造物１との一体接合状態を得ることができる。一体接合後は、チャック１６による補修部材４の切離しを行い、装置回収を行い、その後に、前述した整形工程を施す。
【００４０】
このような本実施形態の炉内構造物補修装置１０によると、フライホイール１５を用いた構成とすることにより、補修部材４に一定エネルギの慣性回転を行わせることができ、それにより装置の小型化を図ることができる。また、前述したように、炉内構造物１の孔３のテーパ角度αと補修部材４のテーパ角度βとの差を２０°以下に設定することで、初期トルクが小さい状態下で摩擦圧接を行わせるようにしたので、エネルギ消費量も少なくて済み、これによっても装置の小型化が有効に図れる。この実施形態の炉内構造物補修装置１０は、例えば真空または不活性雰囲気下で使用することにより、加熱部の酸化を抑制し、腐食防止を有効に図ることができる。
【００４１】
なお、図７は炉内構造物補修装置１０の変形例を示したものである。この図７に示した炉内構造物補修装置１０においては、補修部材４とこれを主軸１４に連結するチャック１６の一部を除く各部が、シールドボックス１８によって密封状態で囲まれ、そのシールドボックス１８内に空気または不活性ガス１９が充填してある。
【００４２】
これにより、例えば炉内構造物１の補修位置を水２０で満たした状態にしておき、駆動部分をシールドボックス１８で水から隔離した状態で前述した摩擦圧接補修作業を水中で行えるようにしてある。
【００４３】
このような構成によって施工を行った場合には、放射線遮蔽環境下で作業する場合、水２０による遮蔽機能が得られ、被曝低減が有効に図れるとともに、シールドボックス１８の外方に補修部材４を設けたことにより、補修部材４の交換が容易に行える等の利点が得られる。
【００４４】
なお、本発明は、以上で説明した実施形態のほか、炉内構造物１に生じている欠陥が１回の欠陥部分除去工程で形成される孔３、および摩擦圧接補修工程で形成される補修部分の径ｄを超える範囲に、連続的に存在する場合についても適用することができる。
【００４５】
図８は、この場合の施工方法を示すものである。即ち、この図８に示すように、き裂等の欠陥３が広範囲に亘って存在している場合、その欠陥３の存在する方向に沿って炉内構造物補修装置１０を間欠的に移動させながら、各停止位置において、前述した欠陥部分除去工程、摩擦圧接補修工程および整形工程を順次に、かつ各工程の施工位置を一部ラップさせて繰り返し行うようにすればよい。
【００４６】
これにより、欠陥２が連続的に発生している場合においても、その欠陥２を効率よく補修することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明に係る原子炉の炉内構造物補修方法によれば、摩擦圧接方式を採用することにより、ＴＩＧ溶接やレーザ加熱方式を採用する場合に比べて、低入熱で補修することができ、変形を抑制し、かつ割れの発生防止も図れる。さらに、予め欠陥部分を除去することにより、新たなき裂の進展を防止することができるうえ、補修部の余剰部分およびバリ等を除去することにより、摩擦圧接に起因する腐食等も有効的に防止することができる。
【００４８】
また、本発明によれば、摩擦圧接補修工程を円滑かつ確実に行えるとともに、装置の小型化が図れ、さらに水中での施工も可能となる等の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態による原子炉の炉内構造物補修方法を示す概念図。
【図２】  前記実施形態を詳細に示す説明図。
【図３】  前記実施形態の作用説明図。
【図４】  前記実施形態の他の作用説明図。
【図５】  前記実施形態における孔形状の変形例を示す図。
【図６】  前記実施形態で使用する炉内構造物補修装置を示す図。
【図７】  図６に示した炉内構造物補修装置の変形例を示す図。
【図８】  本発明を連続的な欠陥に対して適用する場合の応用例を示す図。
【符号の説明】
１  炉内構造物
２  欠陥
３  孔
４  補修部材
５  バリ
１０  炉内構造物補修装置
１１  回転手段
１２  クラッチ手段
１３  モータ
１４  主軸
１５  フライホイール
１６  チャック
１７  軸受
１８  シールドボックス
１９  不活性ガス
２０  水
α，β  テーパ角
【図１】
0003809010.tif 000002
【図２】
0003809010.tif 000003
【図３】
0003809010.tif 000004
【図４】
0003809010.tif 000005
【図５】
0003809010.tif 000006
【図６】
0003809010.tif 000007
【図７】
0003809010.tif 000008
【図８】
0003809010.tif 000009