第17回原子力委員会
資料第1号

原⼦炉の⻑期運転に係る取組み
⼀般財団法⼈ 電⼒中央研究所
業務執⾏理事 曽根⽥ 直樹
第17回原⼦⼒委員会定例会
2022/04/26

⽬ 次
I.

軽⽔炉⻑期運転の国内外動向

II. 主要な原⼦炉機器・構造物の健全性••

材料の経年劣化と管理（含、機器の交換実績）
⻑期運転への備え（課題の整理）III. 原⼦炉圧⼒容器の中性⼦照射脆化•••

中性⼦照射脆化とは
原⼦炉圧⼒容器の健全性評価体系
⻑期運転への備え（新知⾒・技術の反映）

2022/04/26

2

I. 軽⽔炉⻑期運転の国内外動向

2022/04/26

3

世界の原⼦⼒発電所の運転年数の現状
2021年版

40年超え運転︔
104基（23.5%）

運転中のプラント︔442基
IAEA Web site https://wwwpub.iaea.org/MTCD/Publications/
PDF/RDS-2-41_web.pdf

OECD/NEA https://oecdnea.org/upload/docs/application/pdf/202107/nea_7524_eglto.pdf

2022/04/26

4

⽇本の原⼦⼒発電所の現状

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資源エネルギー庁より引⽤ https://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/nuclear/001/pdf/001_02_001.pdf

2022/04/26

5

II. 主要な原⼦炉機器・構造物の健全性

2022/04/266

材料の経年劣化とは運転環境（熱、放射線など）に⻑時間曝されることにより材料の特性が徐々に変化し、これにより機器や建屋の構造健全性や機能が低下する現象
n 材料の特性（構造健全性︓強度と靭性）
p 強度（硬さ）︓構造物を⽀持する、地震に耐える材料の変形しにくさ（構造強度）p 靭性（粘り強さ）︓強い⼒が加わった時の壊れにくさ（破壊靭性）• 硬さと粘り強さは相反する関係にある。
• 機器に求められる性能に応じた硬さと粘り強さをもつ材料（⾦属）が使⽤されている。

n 運転環境（熱、放射線など）の影響の例
p 熱時効︓300℃以上の⾼温に⻑時間曝された場合に劣化が進⾏し靭性が低下する現象
p 照射脆化︓放射線の照射を受けて靭性が低下する現象

2022/04/267

材料の経年劣化と管理事業者の保守管理（保全活動）にて材料の経年劣化を管理●⽇常保全（⽇々の点検・定期点検）●⾼経年化対策（定期的な劣化評価と管理⽅針策定、⼤型機器⼀体取替取換等）

長期運転

⽇常保全

⾼経年化
評価※

※ 取替えが難しい機器・構造物の劣化事象に対し、10年毎に、機器健全性やシステム安全性への影響を60年運転を想定して評価●10・20年⽬︓定期安全レビュー（PSR）●30年⽬︓⾼経年化技術評価（PLM）
https://www.kepco.co.jp/energy_supply/energy/nuclear_power/anzenkakuho/koukeinenka.html

2022/04/26

8保全活動（⾼経年化技術評価）美浜３号機の例

https://www.kepco.co.jp/corporate/pr/2016/pdf/1116_1j_01.pdf

2022/04/26

9保全活動（⼤型機器の⼀体取替）⾼浜２号機の例

https://www.city.maizuru.kyoto.jp/kurashi/cmsfiles/contents/0000007/7362/02kanden.pdfより引⽤

2022/04/26

10

材料の経年劣化と管理事業者の保守管理（保全活動）にて材料の経年劣化を管理
⻑期運転での●⽇常保全（⽇々の点検・定期点検）
課題は︖●⾼経年化対策（定期的な劣化評価と管理⽅針策定、⼤型機器⼀体取替取換等）

長期運転

⽇常保全

⾼経年化
評価※

※︓10年ごとに取替えが難しい機器・構造物に対し、運転期間に依存し進⾏する劣化事象（例︓熱、放射線）に対し、機器健全性やシステム安全性に影響を60年運転を想定し評価●10・20年⽬︓定期安全レビュー（PSR）●30年⽬︓⾼経年化技術評価（PLM）
https://www.kepco.co.jp/energy_supply/energy/nuclear_power/anzenkakuho/koukeinenka.html

2022/04/26

11⻑期運転に向けた安全基盤研究の推進
n 材料劣化管理を⽀える技術基盤については電⼒共通研究、電中研研究や国プロジェクト、JAEA研究などにより整備されてきた。
n 電⼒共通研究、電中研研究については、平成19年にPLM研究推進会議/PLM研究総括検討会を設置し、研究課題、ロードマップを共有し、研究開発を進めてきた。
p 電⼒11社、プラントメーカ3社、電事連、JANSI他、電中研（事務局）
p 2022年度よりATENAを中⼼とする新たな体制に移⾏n ⻑期運転に向けて以下を実施
p 技術基盤整備に関する調査の実施（⽶国の⻑期運転への取り組み）
p 研究開発課題を整理し、研究計画の策定に着⼿
p 研究開発体制の整備に着⼿（ATENAの活動に連携）
2022/04/26

12課題整理結果の概要
n ⽶国の状況等を調査し、⽇本の状況に照らした結果、⻑期運転の課題は基本的には現⾏課題の延⻑にあることが確認された。
n 研究課題は以下に分類される。
① 運転期間延⻑により評価条件が厳しくなることへの対応② 評価対象部位の拡⼤への対応③ ⽇本特有の事情への対応④ より合理的な評価⼿法の採⽤⑤ 基礎的な知⾒の継続的な拡充

2022/04/26

13⻑期運転向けた研究開発課題（１）
劣化事象

原⼦炉圧⼒容器の中性⼦照射脆化

配管・ノズルの低サイクル疲労研究開発課題分類• 照射脆化予測式の⾼照射量への適⽤範囲の拡⼤①• PWRの加圧熱衝撃（PTS）評価の精緻化・合理化①• ノズル部等炉⼼周辺領域の脆化評価⼿法の整備②• 監視試験回数増加への対応
ü超⼩型試験⽚を⽤いた脆化評価法の開発
ü統合化*1 or 補完的監視試験プログラム*２の実⽤化
üプラント毎の監視試験計画の⽴案③• 確率論的破壊⼒学を⽤いた健全性評価⼿法の実⽤化④

⻑期運転を想定した疲労評価の試解析の実施
設計疲労線図の⾼度化
冷却⽔等の環境影響の精緻化

①

•
•
•

*１︓ 統合化監視試験プログラム︓鋼材の製造⽅法、化学組成、照射条件、運転期間等が類似の複数のプラントの監視試験を統合することにより、複数のプラントで試験⽚を共有し、有効に活⽤する⽅法*２︓ 補完的監視試験プログラム︓特定のプラント間で試験⽚を共有し、有効に活⽤する⽅法
2022/04/26

14⻑期運転向けた研究開発課題（２）
劣化事象

研究開発課題分類

炉内構造物の照射誘起応⼒
腐⾷割れ• 照射誘起応⼒腐⾷割れ評価⼿法の⾼度化・合理化• 破壊靭性評価⼿法の⾼度化・合理化• 照射クリープ、応⼒緩和評価の⾼度化①

ステンレス鋼鋳鋼の熱時効• 基本的な評価⼿法には⼤きな課題はない。
• 熱と中性⼦照射の重畳影響の解明①

コンクリートの強度低下• 中性⼦照射、⾼温など原⼦⼒特有の劣化要因に対する評価⼿法の⾼度化• 中性化、塩分浸透など⼀般的な劣化要因に対する評
価⼿法の⾼度化①• 旧JNESのプロジェクトの⼿法に従い劣化評価を実施、必要に応じて取り替えるという保全⽅針を採⽤• 特段の研究開発課題はない。

ー• 廃炉材を活⽤した現⾏評価⼿法の妥当性の確認• 実機⻑期使⽤材料の劣化状況の確認①⑤

ケーブル等の絶縁低下

共通

2022/04/26

15

III. 原⼦炉圧⼒容器の中性⼦照射脆化

2022/04/26

16

原⼦炉圧⼒容器の中性⼦照射脆化
原⼦炉圧⼒容器
原⼦⼒プラントにおける主要構造物の⼀つ。炉内構造物や炉⽔と共に核燃料が納められた鋼鉄（圧⼒容器鋼）製の容器。

中性⼦照射脆化（照射脆化）

プラント運⽤中に燃料の核分裂により発⽣する中性⼦の照射を受けることで材料が脆くなること。

照射脆化が進んでも原⼦炉圧⼒容器の健全性が確保されていること（壊れないこと）を確認することが安全上重要となる

BWR圧⼒容器
2022/04/26

PWR圧⼒容器17

中性⼦照射脆化とは
n シャルピー衝撃試験により求めたシャルピー吸収エネルギーの温度依存性の変化から照射脆化量を決定する。
中性⼦照射前上部棚吸収エネルギーの低下

シャルピー吸収エネルギー（J）

中性⼦照射後靭性（粘り強さ）の低下

（脆性）

41J

（延性）延性脆性遷移温度の上昇（脆化量）

脆化量（単位℃）

Temperature
温 度（℃）
2022/04/26

運転温度

276〜289℃
18

シャルピー衝撃試験
n ノッチをつけた試験⽚を、ノッチの裏側（背側）から振り⼦のハンマーで叩いて割る。
n ハンマーの振れ始めの⾼さと試験後のハンマーの到達⾼さの最⼤値の差から、試験⽚を割るのに使われたエネルギー（シャルピー吸収エネルギー）を求める。
衝撃ハンマーハンマー
インパクト時の運動エネルギー
300J

試験前
インパクト後のハンマー振り上がり角度を計測↓
振上がり角度の大小にハンマーの より材料の破壊に要するエネルギー（吸収エネ振れを測定ルギー）を評価

ノッチ

試験後

試験⽚
試験片
装着位置
装着位置

試験片

2022/04/26

19

原⼦炉圧⼒容器の破壊の防⽌n 事故時には冷却のために原⼦炉圧⼒容器内に温度の低い冷却⽔が注⼊される。この際、原⼦炉圧⼒容器鋼には強い⼒（応⼒）が発⽣するため、この⼒による原⼦炉圧⼒容器の破壊を防⽌する必要がある。

n 破壊の防⽌の評価では以下が必要
p 初期の鋼材の抵抗⼒
p 照射脆化の測定

鋼材の抵抗⼒（破壊靭性）
鋼材の抵抗⼒，破壊⼒

n 破壊の防⽌のためには破壊に対する鋼材の抵抗⼒（靭性︓粘り強さ）が破壊⼒より⼤きい必要がある。ただし鋼材の抵抗⼒は、中性⼦照射よって⾼温にシフトする（照射脆化）。

監視試験

p 評価時点での照射脆化の予測 脆化予測
p 破壊⼒と抵抗⼒の⽐較

健全性評価

2022/04/26

中性⼦照射によるシフト（照射脆化）

照射前

照射後破壊⼒（応⼒拡⼤係数）
鋼材の温度
ü 破壊靭性は鋼材の温度によって値が変わる。
ü 破壊⼒は、冷却による鋼材の温度変化等によって⽣じ、オレンジの曲線上を⽮印の⽅向に変化する。
20

監視試験
n 監視試験キャプセルを原⼦炉圧⼒容器の内壁近傍に設置
p １キャプセルあたり、10数本のシャルピー衝撃試験⽚を装荷
p キャプセル数は、BWRで約４個、PWRで約６個
p 中性⼦照射量の測定

n 監視試験プログラムに定められた間隔で監視試験キャプセルを取り出し、シャルピー衝撃試験等を⾏い、脆化量や中性⼦照射量などを評価する。
FIG. 4 Typical surveillance capsule of pressurized water reactor plant.
Charpy Impact
Specimen

Dosimeter
Block

Fracture Toughness
SpecimenTensileSpecimen“Nuclear Reactor Pressure Vessel Surveillance Programs,” ASTM
STP1603, Eds. W.L. Server, M. Brumovsky, (2018) より引用

Copyright by ASTM Int'l (all rights reserved); Mon Jun 11 20:23:38 EDT 2018
Downloaded/printed byYoshinori Hashimoto (CRIEPI) pursuant to License Agreement. No further reproductions authorized.

2022/04/2621

脆化予測
n 監視試験⽚の照射量と、脆化量の⾒積りが必要となる時点での照射量とは⼀致しない
p 監視試験キャプセルは原⼦炉圧⼒容器の内側に設置されるため、内壁より照射量が⾼い
p 圧⼒容器の照射脆化を評価したい時期や部位（圧⼒容器内壁、板厚の1/4深さ位置）における照射量に応じた脆化量を⾒積もる必要がある

n 脆化予測法

80年運転時

現在

60年運転時予測値の上限脆化量

p 圧⼒容器鋼の化学成分、照射温度、照射量、中性⼦束などの関数として脆化量を計算する
p 予測値の精度を考慮して予測値の上限を設定する

脆化予測

監視試験データ

中性⼦照射量2022/04/26

22

健全性評価n 𝑲𝑰𝒄 : 破壊靭性値（鋼材の抵抗⼒）
n 𝑲𝑰 : 応⼒拡⼤係数（破壊⼒）𝑲𝑰 ∝ 𝝈 $ 𝒂
𝜎 : 内圧と板厚⽅向の温度勾配（熱応⼒）で決まる応⼒𝑎 : ⼤きな割れ（⻲裂）を想定（深さ10mm、⻑さ60mm）

鋼材の抵抗⼒，破壊⼒

p 脆化量の予測値を⽤いて、初期値を⾼温側にシフトする。

鋼材の抵抗⼒（破壊靭性）
中性⼦照射によるシフト（照射脆化）

照射前

照射後破壊⼒（応⼒拡⼤係数）
鋼材の温度

亀裂n 健全性評価
p ⻲裂が進展するか否かを評価。以下の関係が満たされる限り、⻲裂は進展しない。

𝑲𝑰𝒄 > 𝑲𝑰

⻲裂の想定
2022/04/26

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圧⼒容器健全性評価に関わる電気協会規格
評価内容
照射脆化評価⺠間規格内容JEAC4201-2007 l 脆化予測
（2013追補版） l 監視試験
JEAC4201-202x

l 脆化予測法の更新
l ⻑期運転に向けた監視試験

エンドース
済
ー

JEAC4206-2007 l 破壊⼒学に基づく健全性評価

済

JEAC4206-2016 l 新たな破壊靭性評価法

未JEAC4216-2011 l 破壊靭性マスターカーブ試験法

ー健全性評価

これら規格を満たすことで、原⼦炉圧⼒容器の安全性が担保されている評価⼿法JEAC4216-2015 l 超⼩型試験⽚の採⽤

未JEAG4640-2018 l 確率論的破壊⼒学解析⼿法

ー

済︓規制庁によるエンドース終了、未︓評価中・持越、ー︓評価未着⼿
2022/04/26

24

健全性評価の保守性について
n 破壊⼒学によればKI = KIcで破壊が発⽣する
n 規格においてはKI = KIc が破壊の発⽣点ではない

p 規格では KI 及び Kic の評価に保守性が⾒込まれている
p 規格においてはKI < KIcである限り、その差の程度によらず、破壊の発⽣に対して裕度がある
p 保守性︓
ü 応⼒が厳しい部位での⼤きなき裂の想定
ü 応⼒拡⼤係数の安全係数（起動停⽌、耐圧試験等）
ü 熱過渡事象を保守的にモデル化
ü 材料特性の板厚⽅向分布（表⾯の特性が良い）の未考慮
ü き裂先端の拘束条件の影響の未考慮
ü ⾼温予荷重効果の未考慮（JEAC4206-2016で⼀部考慮）ü 破壊靭性の下限の使⽤
ü 脆化量（遷移温度上昇量）の上限の使⽤
2022/04/26

25

⻑期運転への備え（新知⾒・技術の反映）
評価内容
照射脆化評価⺠間規格内容JEAC4201-2007 l 脆化予測
（2013追補版） l 監視試験
JEAC4201-202x

l 脆化予測法の更新
l ⻑期運転に向けた監視試験

エンドース済ー

JEAC4206-2007 l 破壊⼒学に基づく健全性評価

済

JEAC4206-2016 l 新たな破壊靭性評価法

未

JEAC4216-2011 l 破壊靭性マスターカーブ試験法

ーJEAC4216-2015 l 超⼩型試験⽚の採⽤

未

JEAG4640-2018 l 確率論的破壊⼒学解析⼿法

ー

健全性評価

評価⼿法

済︓規制庁によるエンドース終了、未︓評価中・持越、ー︓評価未着⼿
2022/04/26

26

⻑期運転への備え（新知⾒・技術の反映）

脆化予測法の改善
p 368点→ 424点
p 照射量の⾼い監視試験データの取得

n 劣化メカニズムに関する知⾒の充実
p ミクロ組織データの拡充
p ミクロ組織変化の予測の精度向上

予測値（℃）

n 監視試験データ数の増加

より信頼性の⾼い予測法へ (JEAC4201-202x)

実測値（℃）

予測値と実測値の⽐較

照射脆化の主要因のクラスター形成の測定結果（Atom Probe Tomography)
CuPSi
30nm

232nm

2022/04/2627

⻑期運転への備え（新知⾒・技術の反映）

監視試験の⾒直しn 40年超運転を⾏う場合、２回の追加の監視試験の実施が求められる。
n 監視試験キャプセルの数（監視試験⽚の数）は限られるため、以下を進めている。
p 既設キャプセルの取り出し時期の最適化（JEAC4201-202x）p 監視試験⽚の再⽣（JEAC4201-2007（2013年追補版））
p 微⼩試験⽚技術の確⽴（JEAC4216-2015）と、監視試験での利⽤（JEAC4201-202x）

2022/04/26

28

⻑期運転への備え（新知⾒・技術の反映）

微⼩試験⽚を⽤いた監視試験
遷移温度域の破壊靭性の指標
参照温度, To

Miura, Soneda, ASME J. of PVT 134-021402, (2010)

監視試験への採⽤標準試験⽚との同等性の確認○: 有効▲︓荷重制御試験のため無効■︓試験⽚の不⾜のため無効

A1A2A3B1B2B3C1C2D1D2E1E2E3F1G1G2H1H2H3H4H5I1I2I3

参照温度 T0 , degC-70-80-90-100-110-120-130-140

ラウンドロビン試験による頑健性の確認

ASTM E1921-17a

照射材・実機材での技術検証

JEAC4216-2015
規格基準の整備2022/04/26

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⻑期運転への備え（新知⾒・技術の反映）

確率論的破壊⼒学n 決定論的評価

n 確率論的評価
p 破壊靭性の統計分布
l ワイブル分布p 応⼒拡⼤係数の統計分布l ⻲裂深さの統計分布による

p 統計分布に応じた破壊確率が計算される鋼材の抵抗⼒，破壊⼒

p ⾚の実線︓保守性を⾒込んだ応⼒拡⼤係数
p ⻘の実線︓安全率を考慮した破壊靭性
鋼材の抵抗⼒p ⾚と⻘の実線が交われば破壊と評価（破壊靭性）

n 解析⼿法の標準化への取り組み

統計分布平均値

破壊⼒（応⼒拡⼤係数）

鋼材の温度

p JEAG4216-2015

2022/04/26

30

おわりに
n 脱炭素社会の実現に向けては、様々な視点から、既設軽⽔炉の最⼤限の活⽤を避けて通ることはできない
n 我が国における⻑期運転の課題は基本的には現⾏課題の延⻑にあることが確認され、必要な取り組みを確実に進めていく
n 技術⾯での⻑期運転の妥当性の⼗分な評価が重要
p 現⾏の規格基準によって機器の安全性は担保されている
p 海外の取り組みや最新知⾒を反映して、⻑期運転への備えの充実を進めている（⾼度化、合理化・最適化、新しい評価⼿法の導⼊）

n 技術継承・⼈材育成、技術・学術⾯での知⾒の拡充についても、今後、真剣に取り組まなければいけない局⾯に来ている
2022/04/26

31