253に広く発電用として利用されており，我国でも多数の商はじめに業用原子炉が建設され運転されている．
2.1

沸騰水型炉（BWR）

現在世界で稼動している商業用原子炉の中では軽水炉

BWR は減速材であり且つ冷却材の炉水を沸騰させ発生（Light Water Reactor：LWR）が主流を占めている．

した飽和蒸気［運転圧力，温度（約 6.9 MPa，285℃）］

LWR には沸騰水型炉（Boiling Water Reactor：BWR）を発電用蒸気タービンに供給して発電する．本炉型は系と加圧水型炉（Pressurized Water Reactor：PWR）が統図（図１）に示すように直接サイクルであるため構成あるが，共に原子核反応を行う炉心を内蔵する重要な容系統が比較的単純である．

器を有し，原子炉圧力容器（Reactor Pressure Vessel：RPV）と呼ばれている．
最近では BWR，PWR 共に構造，運用性を改善した改良型炉が開発されており，その中でも改良型沸騰水型炉（Advanced Boiling Water Reactor：ABWR）は我国で初めて商用炉として実用化され運転されている．
エネルギーの安定供給，温室効果ガスの排出量削減のまた炉心での蒸気ボイド発生による自己制御性があること等安全面の特徴を有している．
尚，ABWR は日本国内で４基運転中，２基建設工事中の状況である．
海外でも建設中のプラントはあるが未だ運転には至っていない．
2.2

加圧水型炉（PWR）

観点から，現在米国を含め世界各国で原子力発電所の建PWR は炉心内で炉水の沸騰を生じないように減速材で設計画が進められている．RPV は原子炉設備の中で最もあり且つ冷却材の炉水を加圧して運転する形式の炉型で重要な機器の一つであり，高い構造健全性，品質が要求されている．このような背景から，RPV は細心の注意を払い慎重に設計，製造，検査が行われている．本稿は弊社で製造している ABWR RPV の設計，製造，検査について，溶接・接合技術を中心に紹介する．

軽水炉（LWR）
LWR は低濃縮二酸化ウランを燃料とし，核分裂反応によって生じる中性子の減速材及び冷却材として軽水を利用する形式の原子炉である．この炉型は現在最も世界的

図１

BWR の系統図

溶接学会誌 第 79 巻（2010）第 3 号

49254ある．本炉型は系統図（図２）に示すように１次系に加未だ運転には至っていない．全世界では BWR，PWR を圧器を設けて圧力を調整している．炉心で加熱された1次

含 め ， 運 転 中 の 原 子 力 発 電 設 備 は 約 ３億 8600万 kWe

系冷却水［運転圧力，温度（約 15.4 MPa，325℃）］は蒸（2008年）の設備容量を持っており，このうち BWR が気発生器で熱交換を行い，２次系（発電用蒸気タービ

8600万 kWe，PWR が２億5200万 kWe であり両者でン）に蒸気を供給する．このため，本炉型では原子炉系88％ を占めている．

（１次系）とタービン系（２次系）が分離されており，我国では1970年３月に BWR 初号機である日本原子力それぞれ独立した水管理が可能なこと，タービンを含め発電（株）敦賀発電所1号機が営業運転に入って以来，た発電設備を放射線管理区域外に設置できる等の特徴が2009年12月に運転が開始された北海道電力（株）泊発電ある．

所３号機まで，合計56基の原子力プラントが試運転中で尚，改良型加圧水型炉（Advanced Pressurized Waterある．我国では両者を合わせて4820万 kWe の設備容量をReactor：APWR）は国内外で建設中のプラントはあるが有しており，その内訳は BWR が2880万 kWe，PWR が1940万 kWe である．

ABWR RPV の構造
ABWR RPV（1350 MWe 級）の鳥瞰図を図３に，主な仕様・構造を図４に示す．上部鏡板及び胴板を含む重量は約 910 トンにも達する超大型圧力容器である．
ABWR は RPV の冷却材再循環方式としてインターナルポンプを採用している．従来型に比較して再循環配管，再循環ポンプ等の設備の合理化が図られており，定期検査等における線量当量低減に寄与する構造に改善されている．
図２

PWR の系統図

RPV は上部鏡板，胴板，下部鏡板及びノズルからなる
竪型で支持スカートに支えられ自立した構造になっており，上部胴板に取り付けられたスタビライザブラケットに取り付けられているスタビライザとこの支持スカートにより地震荷重に対しても安全に支持される構造となっている．胴板は縦方向４分割であり，弊社では最近４段共に一体鍛造リングを採用しているが，上部２段は周方向２分割の板材が用いられるケースもある．下部鏡板には制御棒や中性子束計測管を挿入するための多数の貫通穴が設けられている．
最 外 周 部 に は 10台 の 原 子 炉 冷 却 材 再 循 環 ポ ン プ（Reactor Internal Pump：RIP）を設置するための RIP
ノズル（Reactor Internal Pump Nozzle）と RIP モータケーシング（RIP Motor Casing）が設けられている．

図３

ABWR RPV の鳥瞰図ABWR RPV は RIP モータケーシングが設けられていることが最大の特徴であり，回転体であるモータを内蔵することから，その取り付け溶接，機械加工に対しては非常に厳しい製作公差が規定されており慎重に製作にあたっている．RIP ズル配列のために下部鏡板の形状は皿型に設計されている．胴板には主蒸気ノズル，給水ノズル等のノズルが取り付けられている．鏡板フランジと胴板フランジの結合部は多数の大径高張力ボルトで締め付けられており，そのシート面には金属製 O リングが２重に設置され漏洩を完全に防ぐ構造となっている．
容器内面には腐食を防止する目的でステンレス鋼の肉盛溶接が施されている．一方上部鏡板内面は蒸気に接触する部位であり基本的に肉盛溶接は施されていない．下部鏡板内面は，制御棒駆動機構ハウジング（Control RodDrive Housing：CRD ハウジング）を取り付けるためのCRD スタブチューブ及び炉心構造物を取り付けるための図４50

ABWR RPV の主な仕様・構造

溶接接合教室−基礎を学ぶ−

シュラウドサポート（いずれも高ニッケル基合金）が配河原：溶接・接合技術の適用（圧力容器）−原子炉圧力容器について−

255

列されており，それらの部品を下部鏡板に取り付けるたなった．

めに，その内面には高ニッケル基合金の肉盛溶接が施されている．

設適用規格

計

コンピュータを用いた有限要素法解析等の詳細解析手法に基づき圧力容器の各部分に対して詳細な応力評価にRPV の構造に関する技術基準体系を図５に示す．技術よる設計が行われている．設計において考慮すべき荷重

基準は ASME Boiler & Pressure Vessel Code Sec. IIIとして，設計圧力，設計温度，自重，配管反力の他，設（ASME Code）を参考として制定されたものである．本

計寿命中には発生しないような大規模地震も想定した地

図は基準体系の関連を示している．国内基準は以前，設震荷重等が含まれている．（敷地周辺の地質・地質構造並

計，材料，検査の一部については省令第62号及び告示第びに地震活動性等の地震学及び地震工学的見地から，施501 号，溶接に関しては省令第 123 号（旧第81号）に分類

設の供用期間中に極めて稀ではあるが発生する可能性が規定されていたが，2006年１月に工認の認可基準であるあり，施設に大きな影響を与える恐れがあると想定する

新たに性能規定化された省令第62号では旧溶接省令第 123

ことが適切な地震）号，告示第 501 号，告示第 452 号が統合され ASME Code

この他，設計寿命期間中の全ての圧力，温度，流量変と同様に包括した規定となった．これに伴い技術基準部化等の過渡的に変化する荷重も考慮されている．これら分については民間基準である日本機械学会規格である設の荷重を入力して計算した応力は１次応力，２次応力，計・建設規格，溶接規格他を活用することとなった．ま

ピーク応力に分類し，その各々に対応した許容レベルとた，供用期間中検査（In-Service Inspection：ISI）につ比較して評価が行われている．更にそのような解析評価いては，従来告示第 501 号には具体的な規定はなく，民結果に基づいて，炉心における照射脆化の影響も考慮し間基準である電気協会の電気技術規定 JEAC4205 におい

脆性破壊を防止するために必要な材料の靭性値を要求仕て詳細が規定され，この基準に基づき運用していたが，様値として定めている．又，設計段階では強度面だけで性能規定化された省令第62号では包括規定され，技術基はなく ISI に必要な接近性も考慮しながら各部の形状・準として日本機械学会規格の維持規格を活用することと寸法が決定されている．図６に RPV の設計概要・手順例を示す1)．

材料

図４に示すように，RPV の主要部には通常の鋼材に比べ靭性や溶接性を高めるために少量の合金成分を加えた低合金鋼（マンガン̶モリブデン̶ニッケル鋼）が用いられている．以前は上部鏡板，胴板，下部鏡板等に板材を用いたケースもあったが，最近では材料メーカの技術開発により下部鏡板や胴板にも大型の一体鍛造材が用いられている2)．
図７に下部鏡板ぺタルの外観写真を示す．この部品は約 600 トンの鋼塊から一体鍛造法で製造され，機械加工による削り出しにより溶接線の無い一体構造になってい
図５

RPV の構造に関する技術基準体系

図６

RPV の設計概要・手順例

る．脆性破壊を防止するために設計上材料に要求される

図７

下部鏡板ペタルの外観

溶接学会誌 第 79 巻（2010）第 3 号

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256

関連温度（RTNDT）は−25℃ であるが，不純物の管理，熱が重要である．溶接士の資格更新は新たに受検し適合性処理等の改善により−35℃ 程度の高い靭性値を得ることの確認を受けるケースと，溶接作業実績による資格更新が出来ている．

がある．溶接作業実績による資格更新では，溶接士が溶大型鍛造材を採用することにより溶接線を削減できる接した製品が耐圧試験に合格することがその条件になっために ， ISI 期間が短縮でき検査員の線量当量低減が図ている．技能確認試験における主な確認項目は溶接方れる．炉心部に使用される材料については，RPV 特有の法，試験材，溶接姿勢，溶接棒，溶加材，心線，母材の問題である中性子照射による脆化についても配慮されて区分である．

いる．これらの材料については RPV 製造メーカから材料7.3メーカに対して，製造過程での溶接や熱処理等の材料にRPV の品質は溶接によって左右されると言っても過言及ぼす影響を加味して設計が要求する機械的性質を満たではない．溶接作業をする際には，認可された溶接施工すよう仕様が出される．材料は要求仕様を全て満たすこ法，溶接士の指定は勿論のこと，溶接作業に関連する注とが材料メーカで確認された後発送され，製造メーカに意事項を記載した溶接作業要領書や溶接作業指示書がエ受け入れられる．溶接材料についても母材と同様に熱処ンジニアによって準備され，現場で適切に作業が進めら理等の製造要領を考慮して仕様を定め，高品質の溶接部れるよう配慮されている．また，製造現場では溶接作が得られるよう配慮されている．ステンレス鋼，高ニッ

業，検査等の作業ステップを記載した図書が準備され，ケル基合金の母材，溶接材料については，耐応力腐食割決められた手順通り作業が進められている．

溶接施工管理れ性改善の観点から炭素含有量の抑制，不純物の低減等

7.4

RPV の溶接の改善が行われている．

7.4.1

主継手の溶接RPV の胴体の板厚は約 180 mm という極厚である．従って，胴板と胴板の溶接，胴板とノズルの溶接は，この溶接施工板厚を欠陥なく溶接する必要がある．一般的には比較的
7.1

溶接施工法

能率の良いサブマージアーク溶接法が採用されている

RPV の溶接施工法は省令第62号に定められている確認が，弊社では狭開先マグ溶接法を開発し，約30年前から事項に従って溶接施工法試験を実施し，溶接継手部が母RPV の主継手から適用を開始，現在では胴板とノズルの材と同等以上の機械的性質を有することを確認しなけれ溶接も含め主継手の溶接に全面的に適用している．図８ばならない．従って，未確認の溶接方法による溶接施工に弊社で開発した狭開先マグ溶接法の概要を示す．

は許されず，プラントの計画・設計時点において，新規本溶接法は開先角度がほぼ垂直であるため壁際に融合に確認が必要な溶接施工法取得計画を立案し確認してお不良を起こしやすい．この対策として多くの方法が考えく必要がある．新たな溶接施工法を取得する場合，以前られているが，弊社ではワイヤに予め曲げ癖を付け，開は溶接事業者（製造メーカ）が国の指定検査機関（発電先内に送り込むワイヤベンド方式を採用している．コン設備技術検査協会）に受検申請し，指定検査機関の立会

タクトチップの先端から開先内に送給されるワイヤは周いの下で溶接施工法試験を実施していたが，法令改正に期的にその向きを変え，十分両開先壁を溶融することがより設置者（電力会社）に受検申請し，客観性を有する出来る．トーチも小型化しており，板厚に関係なく開先第３者検査機関の立会いの下で溶接事業者検査として実幅は約 10 mm で溶接が可能である．サブマージアーク溶施するシステムに改定された．従って，以前は RPV に適接法と比較すると下記点が優れている．

用する溶接施工法は国の認可を受けていたが，法令改正（1）溶接部の幅が約 10 mm と狭く，入熱量が低いた

後は設置者（電力会社）の技術基準に対する適合性の確認を受けるシステムに改定された．溶接施工法試験における主な確認項目は溶接方法，母材，溶接棒，溶接金め，溶接部の靭性が優れている．
（2）１パス１層の溶接法であり，溶接金属量が少なく，溶接変形が小さい．

属，予熱，溶接後熱処理，シールドガス，裏面からのガスの保護，溶加材，ウエルドインサート，電極，フラックス，心線，溶接機，層，母材厚さ等の区分である．
7.2

溶接士

RPV の溶接は技術基準に対する適合性が確認された溶接士のみが作業に従事できる．新たに適合性の確認を受ける溶接士は省令第62号に定められている確認項目に従い技能確認試験を実施し，非破壊検査及び曲げ試験に合格しなければならない．新たな溶接士資格を取得する場
合も，7.1 項に記載した溶接施工法と同様の手順で申請手続きを行う必要がある．溶接士の種類は，被覆アーク溶接等の手溶接士と自動ティグ溶接等の自動溶接士に区分されており，資格の有効期限は各々２年，10年である．
RPV は製作開始から完成，発送までに約２〜３年要しており溶接士の資格が失効しないよう適切に管理すること
52

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図８

狭開先マグ溶接法

河原：溶接・接合技術の適用（圧力容器）−原子炉圧力容器について−

257

図９

図11 ESW 適用状況

狭開先マグ溶接状況

図12

HST 溶接法

図10 ESW と SAW の比較（3）溶接部に残留する水素量が少ないため，溶接部に発生する低温割れ感受性が低い．
図９は下部鏡板ぺタルとドームの溶接を大型ポジショナ上で狭開先マグ溶接している状況を示しているが，この溶接部の板厚は約 300 mm にも達している．
7.4.2

肉盛溶接

RPV 胴板の内面にはステンレス鋼の肉盛溶接が，下部鏡板内面には高ニッケル基合金の肉盛溶接が行われている．肉盛溶接では肉盛部の耐食性の観点から母材の希釈を出来る限り低く抑えることが重要であり，そのためにエレクトロスラグ溶接法（Electroslag Welding：ESW）

図13やサブマージアーク溶接法（Submerged Arc Welding：

HST 溶接法適用状況SAW）が適用されている．ESW と SAW の比較を図10に，RPV 胴板内面への ESW 適用状況を図11に示す．溶度であり，アークが非常に安定していることが特徴であ

接材料及び溶接電源を含めた溶接装置の開発により電極る．また，ワイヤ送給量を調整することにより一般のテの広幅化が図られており150 mm 幅まで実用化されていィグ溶接法よりも希釈率を低くコントロールすることがる．主蒸気ノズル内面等の狭隘部にもステンレス鋼，高可能であり，耐食性の観点からも優れている3)．

ニッケル基合金の肉盛溶接を施工する．弊社では高品質ではあるが比較的能率が悪いという欠点があるティグ溶接法を能率面で改善したホットワイヤティグ溶接法（Hot Wire Switching TIG：HST）を開発し実製品に適アーク電圧制御装置（Arc Voltage Control：AVC）との組み合わせにより高品質溶接部を得ることが出来る．
7.4.3

制御棒駆動機構ハウジング取付け用 CRD スタブチューブの溶接用している．HST 溶接法の概要，適用状況を図12，13にCRD スタブチューブの員数は合計 205 本であり，下部示す．弊社の HST 溶接法はワイヤをパルス加熱により瞬鏡板に溶接で取り付けられている．（材質は高ニッケル基時に加熱する方式であるため，磁気干渉が無視できる程合金）各々の間隔が狭く，且つ開先形状が２次元対称で溶接学会誌 第 79 巻（2010）第 3 号

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258

はなく，下部鏡板の傾斜面に楕円状に変化する複雑な形状であり自動溶接化が困難であったため，過去においては被覆アーク溶接法で手動溶接していた．このためパス間でのビード形状を修正するためにグラインダによる手入れが必要であり多大な労力を要していた．このような状況下で，この溶接部の自動溶接化を図ることが長年の夢であった．弊社では，高品質溶接法である HST 溶接法と６軸を持つ自動溶接装置を組み合わせた溶接技術を開発し，実製品を模擬した試験（モックアップ試験）を行い，その品質を確認後，ABWR 初号機から実製品に適用し現在に至っている．オペレータは下部鏡板の傾斜角度と溶接条件を入力するだけで，マイコンが開先部の楕円

図14

CRD スタブ自動溶接装置軌跡を計算し自動溶接することが出来る．自動溶接装置の概要を図14に示す4)．
7.4.4

RIP モータケーシングの溶接

下部鏡板の外周部には10台の RIP ノズルが配列されており，RIP ノズルに RIP モータケーシングが溶接により取り付けられている．図15にその溶接構造を示す．当初の設計では RIP ノズルと RIP モータケーシングの隙間は0.5 mm であったが，溶接部の非破壊検査性を改善するために，その隙間が 18 mm に拡大された．RIP モータケー
シングは RIP モータを内蔵することから，モータとの取り合い部には厳しい寸法公差が要求されている．寸法公差を守るために，この溶接部は RPV の最終焼鈍後，突合せ溶接を実施している．RIP ノズルと RIP モータケーシ

図15RIP モータケーシング溶接構造

ングの開先部は低合金鋼母材部に高ニッケル基合金が肉盛溶接されており，内径 240 mm の内面側から高ニッケル基合金の溶材を使用し，遠隔自動溶接装置を用いて横向き姿勢で突合せ溶接する．この溶接部の非破壊検査を行うために，非破壊検査装置を挿入するための窓が下部鏡板の RIP ノズルスカート部に設けられている．溶接位置が RIP ノズル頂部から約 260 mm と深いので，溶接作業中にアークの状況や溶接部の状況を直接監視できないため，遠隔操作可能な自動ティグ溶接装置を開発し，モックアップ試験，溶接士のトレーニングを経て技術確立後，実製品に適用した．図16に溶接装置の構成を示す．
本装置は下記特徴を有している5，6)．
（1）小型 CCD カメラによるテレビモニタ監視遠隔操作式自動ティグ溶接装置（2）ハイパルス電源採用

図16（3）AVC 採用

RIP モータケーシング自動溶接装置（4）オペレータの技量に依存しない溶接とするため，初層から最終層までの全溶接条件をプリセット溶接により裏波が形成されるので溶接部の非破壊検査性を確保するために，溶接後この裏波を除去している．
RIP ノズルスカート部の窓を利用し，約 18 mm 隙間内に特殊装置を組み立て，図17に示すように裏波を仕上げている．溶接後，放射線透過試験（RT），液体浸透探傷試験（PT）及び目視検査（VT）を実施し溶接部の健全性を確認している．各検査を実施する場合もスカート部の窓を利用し，約 18 mm の隙間部にテレビカメラ付の特殊検査装置を挿入し検査している．実製品の溶接の経験をベースに，現在では狭開先溶接装置を開発し，実製品に適用し更なる効率化を図っている．図18に RIP モータ
54

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図17

裏波仕上げ

河原：溶接・接合技術の適用（圧力容器）−原子炉圧力容器について−

259

Organization：JNES）によって審査される．製作の最終段階では設置者が JNES による使用前検査の立会いを受検し，最高使用圧力の 1.25 倍の水圧を加えて強度を確認する耐圧・漏洩検査と，認可を受けた工事計画書の通りに仕上がっていることを確認するための構造検査（寸法検査，外観検査）が行われる．

おわりにRPV は原子力プラントの中で最も重要な機器の一つであり，設計，製造，検査の過程で細心の注意を払い製造している．新技術の適用に当たっては，その妥当性を評
図18

ABWR RPV の外観価するための確認試験は勿論のこと，実製品を模擬した試験（モックアップ試験）を行い，信頼性の高い製品の表１

RPV の主要検査項目製造に万全を期している．信頼できる製品を継続して製造するためには技術の伝承が最も重要であり，経験者と若手を旨く組み合わせ作業に従事させる配慮を行っている．技術の伝承においては長い経験の過程で培われたノウハウの伝承が重要である．今まで伝承が困難であった技術や技能を映像や画像で分かりやすい電子データにまとめ，若手の教育に活用している．弊社ではこの活動を「e-Meister 活動」と呼んでいる．
現在米国を含め原子力発電所の建設計画が進んでいるが，本稿に記載した溶接・接合技術を基盤とした「モノづくり」技術が将来に亘り，世界で重要な地位を占めると予想している．これまでと同様，先輩諸氏から受け継ケーシング溶接後の RPV の外観を示す．長年の経験，技いできた技術と精神を忘れることなく，後輩に技術を伝術開発により，現在では RIP モータケーシングの溶接も承し，更に信頼できる新技術を開発し，高い信頼性を有含め，耐圧部主継手の溶接自動化率はほぼ 1 00％ を達成

し世界に誇ることが出来る RPV を製造することが我々世することが出来ている．

代の使命であると考えている．

検査

RPV の検査は素材段階及び製作段階に応じて適用規格に基づき実施されている．表１に国内向け RPV の主要検査項目を示すが，製作手順に従って材料メーカ又は製造メーカによって実施される．製造メーカの検査は製作ステップを含む管理図書によってホールドポイントとして位置付けが規定され，各々の検査に合格したことを確認した後，次のステップへリリースすることになる．国内向け RPV については，設置者（電力会社）責任で実施される溶接事業者検査の全て，または一部が委託され，製造メーカの検査に加えて，設置者としての検査で溶接の技術基準の適合性が確認されるが，その状況は原子力安

参考文献
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4) 明賀他：３次元自動溶接機の開発と原子炉圧力容器への適用 溶接法研究委員会（1995）．
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全 基 盤 機 構 （ Japan Nuclear Energy Safety

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