日本原子力学会 「2013年秋の大会」

東北の復興に向けて （５）原子炉プラントの耐震性について－ 巨大地震を教訓として －2013年9月3日
落合 兼寛
原子力安全推進協会
日本原子力学会 シニアネットワーク連絡会員～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute近年の原子力発電プラントの地震経験
巨大地震：2011年 東北地方太平洋沖地震
女川原子力発電所、福島第一原子力発電所、福島第二原子力発電所、東海第二発電所「設計基準を超える」地震： 2005年 宮城県沖地震
女川原子力発電所(略号 O）
2007年 能登半島地震
志賀原子力発電所（S）
2007年 新潟県中越沖地震 柏崎刈羽原子力発電所 （KK)2009年 駿河湾の地震
浜岡原子力発電所（H)

極めて価値の高い耐震技術データの蓄積○ 多種多様な施設：○ 設備の相互比較が可能：○ 荷重条件（入力）が明らか：○ 耐震設計、施工条件が明確：
原子力発電設備の耐震クラス
S（A)（原子力発電所の安全上重要な設備）

B（放射線に係わる設備で、影響の小さいもの）C（一般の設備と同等の耐震性を有する設備）

発電プラント（土木、建築、機械、電気）
同一型式（BWR）の原子力発電所、多数基立地
地震計が設置され、記録がとれている
建設時期と耐震設計規格・基準類の記録がある
耐震設計で考慮する荷重
Cクラスの3倍の静的荷重
基準地震動による動的荷重

3 以上

Cクラスの1.5倍の静的荷重（共振について動的に検討）

1.5

建築基準法並みの静的荷重（全プラント一律）

1～原子力の一層の安全確保を目指して～

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設計荷重の比率

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Japan Nuclear Safety Institute1

観測された地震動（揺れ）を「最大加速度値」で比較した報告書
例１ 福島第一原子力発電所「国会事故調」 報告書 「２．２．１ 東北地方太平洋沖地震による福島第一原発の地震動」「東電の中間報告書は、・・・・、問題がないかのように記している。しかし、基準地震動に対する応答加速度を下回るのが当然で、一部でも上回ることは耐震設計上あってはならないことである。」

耐震設計に無縁の方々の事実認識を誤らせる恐れはないだろうか？
設計条件を越える ＝ 壊れる ？ （耐震設計と耐震性評価の混同）「基準地震動」は耐震クラスS(A)の設備の設計条件の一部に過ぎない
実際に損傷しているのは、耐震クラスB、耐震クラスCの設備～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute2例2 女川原子力発電所

原子力安全・保安院 地震・津波の解析結果の評価に関する意見聴取会（第１回）－配付資料～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute3

女川原子力発電所の地震動（揺れ）による被害の実態
IAEAの女川調査団
実施時期：2012年7月30日～8月11日
調査員：IAEA ISSC センター長ほか20名の耐震、耐津波専門家
2週間に及ぶ現場調査と聞き取りの結果
報告書：2013年春発行
The Structures
Team concluded that the structuralelements of the NPS wereremarkably undamaged given themagnitude and duration of groundmotion experienced during this greatearthquake.
筆者が2007年新潟県中越沖地震直後に、柏崎刈羽原子力発電所を調査したときの実感と同じ～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute4地震動の揺れによる損傷モード（メカニズム）
2種の破壊形態 （日本機械学会、「耐震設計と構造動力学」、日本機械学会P-SC49）
初通過破壊
累積疲労破壊X

構造物の応答が最初に破壊レベルを越えたときに生じる破壊（例：延性破壊（脆性的破壊）、塑性崩壊、座屈）
累積値があるレベルに達したときに生じる破壊（疲労、延性消耗）
初通過破壊
応答
設備

累積疲労破壊

X

固有周期
減衰定数

地震入力
（地震動）
～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute5

地震動の強さ（設備への影響度）を示す指標DIPの例
DIP: Damage Indicating Parameter (IAEA Safety Report Series 66)
背景：設計に利用される加速度最大値は必ずしも設備の損傷と結びつかない○ ピーク値 （Peak Parameter)
日本の気象庁震度階
阪神淡路大震災以降計測データをもとに設定
計測震度：地震動の破壊影響に注目した等価加速度（周波数フィルター特性：右図）○ 積分値 （Integral Parameter）（気象庁ホームページより）

標準CAV（Standardized Cumulative Absolute Velocity)○ その他（応答）
応答スペクトル（加速度、速度、エネルギー）、スペクトル平均値～原子力の一層の安全確保を目指して～

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巨大地震 2011年東北地方太平洋沖地震
本震 （2011年3月11日14時46分）○ 連動した巨大地震（モーメントマグニチュード：9.0）による地震動

女川原子力発電所
福島第一、第二原子力発電所
東海第二発電所

出典：東京大学地震研究所ホームページ～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute7原子炉建屋内観測記録の最大加速度と波形
加速度時刻歴（原子炉建屋基礎版上、EW方向）

最大加速度値 最大加速度波形

女川1号機
587 Gal

福島第一6号機
431 Gal

福島第二1号機

東海第二229 Gal

225 Gal

柏崎刈羽1号機 （2007年新潟県中越沖地震) 680 Gal～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute8原子力発電所設備で経験した地震動と損傷事例
安全に関わる耐震クラスS(A)の損傷は報告されていない
700
600
500
400
300
200
1000-100 0-200-300-400

加速度 （cm/sec**2)

400
300
200
1000-100 0-200-300-400-500
-600
400
300
200
1000-100 0-200-300-400-500
300
200
1000-100 0-200-300
300
200
1000-100 0-200-300

2007年新潟県中越沖地震

2007年新潟県中越沖地震
20406080

100

1201401601802002011年東北地方太平洋沖地震

時間 (sec)

2011年東北地方太平洋沖地震
2040

60

80

100

120

140160180・変圧器（耐震クラスC）基礎
ボルト切断

200・500KVA断路器（耐震クラスC相当）支持構造の衝突
2011年東北地方太平洋沖地震
204060

80

100

120

140160180200共通

2011年東北地方太平洋沖地震
2040

60

80

100

120

1401601802002011年東北地方太平洋沖地震
204060

80

100

120

140160180・吊り下げ設置型高圧遮断器の短絡（火災）200・タービン発電機ロータの軸方向の微小な移動・屋外設置円筒タンク（耐震クラスC）の象脚座屈時間 (sec)～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute92011年東北地方太平洋沖地震での損傷事例
新福島変電所500KVA断路器損傷

女川1号機高圧電源盤火災

耐震 クラスC
操作碍子のピンジョイント部の変位が設計値（10mm）を超えて金具に衝突が発生

吊り下げ設置型遮断器の揺れによる断路部接続導体損傷、短絡

一般産業施設では、空調用ダクトのような、比較的柔構造でエネルギー吸収能力が小さい設備（部位）の地震被害が顕著のように見える～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute

10観測された地震動の特色とDIP計算例
最大加速度(合成値）

計測震度

AJMA

標準CAV

女川1号機

637 Gal

5.6

225 Gal

6.9 G-sec

福島第一6号機

460

5.7

2666.4

福島第二1号機

290

5.52025.4

東海第二262

5.3

157

2.7

柏崎刈羽1号機

685

6.0

346

1.7

（原子炉建屋基礎版上）東北地方太平洋沖

新潟県中越沖～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute11地震計が設置されている床で観察された損傷とDIP

屋外設置タンク座屈（初通過破壊）
弁全開動作不良（？）

タービン発電機ロータの軸方向の微小な移動 （初通過破壊）

変圧器（耐震クラスC）基礎ボルト切断（初通過破壊）

復水器内配管サポートのこすれ傷（軽微な損傷）～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute12基礎ボルトのせん断荷重耐力試験（初通過破壊）
試験実施者：東京電力、 実施場所：NIED兵庫耐震工学研究センター
基礎ボルト

重錘

ベースプレート基礎台

柏崎刈羽1号原子炉建屋基礎版（EW）観測波形の約1.9倍で加振設計上の許容荷重では破損しないが、約2倍では破損を確認

基礎ボルトの耐震設計が重要～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute13

東北地方太平洋沖地震で揺れの激しかった場所での損傷事例
東北地方太平洋沖地震時の地震動観測位置

大きな揺れが発生
１．建物の高い階屋根、運転床
２．背の高い架台上
タービン架台３．地表面
代表的損傷設備
屋根
天井クレーン走行部＆運転席支持構造
運転床
燃料交換機関係（軽微）
タービン架台上
タービン軸の微小移動
地表
円筒タンク脚部座屈

主要設備が設置された場所のAJMAは新潟県中越沖地震より小さい～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute14

静的震度を用いた耐震設計の有効性（初通過破壊に対して）
静的耐震設計法の地震荷重
静的震度
静的に（長時間）作用すると考える加速度値
設備の損傷に注目した
等価加速度（共通点）
初通過破壊のDIP：AJMA
0.3秒以上作用する等価最大加速度
静的耐震設計法では、静的震度に対して、弾性範囲の許容値を設定
耐震クラス（静的震度）

S（A) （0.6G)

B （0.3G)

C （0.2G)

計測震度（震度階） I6.4（震度6強）

5.8（震度6弱）

5.5（震度6弱）

東北地方太平洋沖地震では建屋の主要部に設置される安全上重要な設備の基礎ボルトの切断は発生していない～原子力の一層の安全確保を目指して～

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15配管の地震時耐力試験（累積疲労破壊）
試験実施者：NUPEC/JNES 「耐震信頼性実証試験（配管終局強度試験）」
配管

口径200A、Sch 40

材質ＳＴＳ410

形状

3次元（左図）固有振動数 3.8→3.6Ｈｚ
損傷モード

亀裂貫通部

ラチェットを伴う
低サイクル疲労

配管を損傷させるため、配管サポートを一部取り外し、重錘を付加した共振状態で加振5回目の加振時にエルボー部で貫通亀裂が発生（累積疲労破壊）～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute16加速度(m/sec**2）

振動台上加振波形 最大加速度：1877Ｇａｌ、計測震度：6.4 、標準CAV：23.2G-sec
20.0
15.0
10.0
5.00.0-5.0 0-10.0-15.0-20.0

4回繰り返しても機能に支障なし（5回目に亀裂貫通）
1020304050607080

90100110120時間（sec)）

東北地方太平洋沖地震の観測値（例）福島第一6号機

回数標準CAV123.2 G-sec

246.5

369.7

492.9→905116.2(損傷）

原子炉建屋

標準CAV (A)

余裕（90／A）

タービン建屋屋根

20.4 G-sec

4.4

T-G架台

12.3 G-sec

7.3

運転床

12.8

7.0

基礎版上

6.5

13.8

2階床

7.6

11.8

基礎版上

6.4

14.1

溶接配管の耐震余裕は極めて大きい（継続時間の極めて長い巨大地震で確認された）～原子力の一層の安全確保を目指して～

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標準CAV (A) 余裕（90／A）

一般社団法人 原子力安全推進協会Japan Nuclear Safety Institute17（参考） エネルギー入力を指標とする耐震余裕評価
地震による損傷： 設置場所での地震動によるエネルギー入力＞ 設備に許容される破壊エネルギーエネルギー入力を示す指標

エネルギースペクトル

単位質量当たりの総エネルギー入力
計算例（減衰定数：0.05）
福島第一6号機原子炉建屋内

総エネルギー入力：E
E= − � a(t) ∙ ẋ (t) dtm0

エネルギー等価速度：VE
VE = �2Ema(t) ： 地震動の加速度時刻歴ẋ (t) ： 設備の応答速度時刻歴

OP. 51.5m

OP. 19.0m

OP. 1.0m（基礎版）

600

単位質量あたりの総エネルギー (X103 cm2/sec2)t

OP. 65.5m（屋根）

500

400

300

200

100

00.0

0.1

0.2

0.3

0.40.5固有周期 (sec)

剛構造で設計された設備のエネルギー入力は極めて小（日本の原子力発電所耐震設計の基本：剛構造設計）～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute18

配管の地震時耐力試験（エネルギー入力による余裕評価）
エネルギースペクトル
配管試験と観測結果の比較（福島第一6号機原子炉建屋内）
OP. 65.5m（屋根）OP. 51.5m

OP. 1.0m（基礎版）

配管試験入力OP. 19.0m

配管終局強度試験（4波連続）のエネルギー
スペクトル（減衰定数0.05）4500

試験配管の亀裂貫通に必要なエネルギー（固有周期：0.26～0.28秒）

4000

エネルギー等価速度 (cm/sec)

3500

試験した配管が建屋内各床に設置された場合の疲労亀裂貫通に対する余裕

3000
2500
2000

位置（標高： OP ）

耐震余裕

1500

屋根（65.5 m）

8

運転床（51.5 m）

14

2階床（19.0 m）

24

基礎版上（1.0 m））

23

高さ比

1000
500
00.0

0.1

0.2

0.3

0.40.5固有周期 (sec)

溶接配管の疲労亀裂貫通の耐震余裕は極めて大きい（この例では標準CAVによる評価がエネルギー入力による評価より安全側）～原子力の一層の安全確保を目指して～

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配管に関する「耐震裕度の定量化に関する専門家パネル」の見解
米国 “the Expert Panel on the Quantification of Seismic Margin” （1980年代）【配管の損傷モード】
配管は地震の慣性力によって破損した例はなく、損傷の多くは下記の特殊な場合に発生している○構造上の問題（脆い配管材質、過度の腐食、溶接欠陥、ネジ継手、機械継手など）○過大な強制変形（地盤沈下、機器の移動、分枝管については母管の移動）【結論】 耐震設計されていなくても、配管系は本質的に地震に強い〇現在の原子力配管の設計プラクティスは過剰なまでに安全側（conservative）であることが解析評価及び経験で示されている
米国の現状 対象設備種別ごとの脆弱性により対応を変える スクリーニング○ １F事故を受けて緊急に実施された点検では、溶接配管を除外し、迅速化かつ重点化を図っている○ 塑性エネルギー吸収係数により配管などの地震荷重を低減（ASCE規格）～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute20

巨大地震の技術的教訓
１．近年の設計基準を超える地震動（揺れ）に対しBWR 26基の安全関連施設は全て正常に機能している。
２．損傷データの蓄積により、脆弱な設備（部位）は特定することができ、地震動との関係を適切な指標で表すことによって耐震性能が評価できる。
加速度最大値 → DIP（気象庁震度階、標準CAV など)（耐震設計用） （耐震性評価用）
３．溶接配管の耐震設計規格は過剰であり、スクリーニングすることにより、耐震性評価作業は大幅に軽減され、迅速な評価が可能となる。
４．静的震度（全国一律）で設計した耐震クラスB、Cの設備の多くは巨大地震にも耐えている。
５．原子力発電所で得られた知見は一般産業施設との共通性を有している。
～原子力の一層の安全確保を目指して～

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耐震性評価 概念図
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Japan Nuclear Safety Institute21

原子力発電所の耐震性（大地震発生後の電力供給）
1995年兵庫県南部地震（阪神淡路大震災）の火力発電、変電設備との比較
原子力発電所固有の脆弱な設備は見られず本質的に耐震性は高い
課題：確実かつ迅速な安全性の確認手法の整備

ボイラー
鉄骨の揺れによる損傷（火力）
タービン軸の微小移動（共通）

米国の現状：
・1990年代にガイドラインを確立
・2011年バージニア州の地
震で、外部電源喪失、保護系の作動によるスクラムした原子力発電所に適用
・2013年日本の経験を反映して、ガイドラインを改訂

多くの国々では地震動による原子炉自動緊急停止（スクラム）は実施していない
地震直後の電力供給を重視～原子力の一層の安全確保を目指して～

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Japan Nuclear Safety Institute22

東北の復興に向けて（高い耐震性を有する原子力発電所の役割）
１．地震活動期に入った日本→東北の経済的価値が極めて大
発生年月日

年号

マグニチュード

備考

869年7月13日

貞観11年（貞観地震）

8.3

三陸沖（津波）（870年）

（韓国）

(6.5)

（慶州：新羅の首都）

878年11月1日

元慶2年（相模･武蔵地震）

7.4

関東地方

880年11月23日 元慶4年（出雲で地震）

7.0

中国地方

881年1月13日

元慶4年（京都で地震）

6.4

関西地方

887年8月26日

仁和3年（仁和地震）

8.3

南海、東海道沖（津波）出典：「地震の事典」、朝倉書店、普及版第1刷 2010年3月○ 早期復興、経済拡大のための安定したエネルギー源：原子力発電所○ 地震で長期停止しない原子力発電所：社会コンセンサスを得るための迅速な評価、説明性 （スクリーニング）
２．一般産業施設の耐震性向上
原子力発電所で得られた知見のTT（原子力分野は産業全体の技術を牽引）
３．国際貢献東北電力、東京電力の成功体験の国外原子力発電所へのTT～原子力の一層の安全確保を目指して～

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23

謝辞

１．本報告は、国際原子力機関（IAEA）のEBP（Extra-Budgetary Project）
Work Area 3およびISSC (International Seismic Safety Centre) EBP WorkArea 4における討議を参考としています。
２．本報告のDIPは、東北電力、東京電力、中部電力、関西電力、日本原子力発電の各社が日本地震工学会を通して公開した地震観測記録をもとに計算しております。

～原子力の一層の安全確保を目指して～

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～原子力の一層の安全確保を目指して～

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