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熱起電力測定装置と試験片からなる系の熱伝導解析
Thermal Analysis of system composed of a specimen and a device for thermoelectric
power measurement
上坊寺

克郎（Katsuo Joubouji)＊

要約 原子炉容器の監視試験片の熱起電力測定を目的とした熱起電力測定装置を新たに製作した．
熱電能の算出には電極と試験片の接触点間の温度が必要となるが，この装置により計測される温度
は接触点の温度と一致しない．そこで，計測値の補正方法を検討するため，試験片の長軸と電極軸の関係，電極を接触させる位置，試験片の長さと材質，電極の加熱温度，外気温度の 6 点に関し，
96 通りの熱起電力測定時の電極と試験片の温度分布を熱伝導解析により求めた．その結果，計測値の補正においては計測される電極間温度差と真の接触点間温度差の比が重要な因子であり，その値は試験片の長軸と電極軸の関係，試験片の長さおよび試験片の熱伝導度により変動することが分
かった．
キーワード

熱起電力，熱伝導解析，熱伝導度，監視試験片Abstract
A new device for measurement of thermoelectric power of Charpy specimens forsurveillance program of reactor vessel was manufactured. Difference with the temperatures of hot
and cold junction was required to obtain thermoelectric power of a specimen. But temperatures
measured by the device did not agree with temperatures of hot and cold junction. In order toinvestigate the way of correction, temperature distribution in a specimen and electrodes during
measurement was calculated by thermal analysis of 96 of cases, which were prepared fromcombination of the following factors, (1) relation between longer axis of a specimen and center axisof electrodes, (2) positions of hot and cold junction, (3) length and (4) material of a specimen, (5)heating temperature of an electrode and (6) ambient temperature. And it was found that an
important factor for the correction was the ratio of difference between measured temperatures ofelectrodes to difference between temperatures of hot and cold junction. The factor showed thedependency to length of a specimen, thermal conductivity of a specimen and relation between
longer axis of a specimen and center axis of electrodes.
Keywords

1.

thermoelectric power, thermal analysis, thermal conductivity, charpy specimen

はじめにいた供用期間の延長に伴い，炉内に装備されている監視試験片に不足が生じる可能性があり，その対策

原子炉容器は，炉心を内包するとともに 1 次冷却として，使用済監視試験片の再生(7)や使用済監視試

材の圧力バウンダリを構成する重要機器の一つであ

験片からの小型試験片の製作(8)について研究が進めり，ステンレス鋼を内張りした低合金鋼から成る．

られた．また，監視試験片の脆化の非破壊評価手法

低合金鋼については供用期間中に中性子照射によりの研究(9)〜(17)も実施されており，原子力安全システ

遷移温度の上昇と上部棚エネルギーの低下が生じる

ム研究所（以下「INSS」という）では，鋳造 2 相ス

こと（中性子照射脆化）が知られている (1)．現在

テンレス鋼の熱時効の非破壊評価に用いた熱起電力

は，運転開始時に炉内に挿入された原子炉容器と同法(18)〜(23)の適用を検討している．熱起電力法による一の材料から製作された監視試験片（シャルピ衝撃

照射脆化の非破壊評価に関しては，低合金鋼の熱起試験片や引張試験片）を定期的に取り出して破壊試

電力が照射量に対して敏感に反応し (15)(17)，照射脆験を実施することにより中性子照射に伴う脆化程度化の要因の一つとされる不純物である Cu の析出をを実測・監視し (2)〜(4)，健全性が維持されているこ反映した結果(15)と報告されている．

とを確認している(5)(6)．しかし，当初に予定されて＊ (株)原子力安全システム研究所 技術システム研究所

INSS では，原子炉容器の監視試験片（シャルピ226

衝撃試験片）の熱起電力測定を目的とした熱起電力測定装置を新たに製作した．この熱起電力測定装置

制御ラック

により計測される温度と電圧を，2 点間の電位差が 2点間の温度差に比例する熱電効果の関係に当てはめ，測定対象の熱電能を導出する．しかし，熱起電力測定装置により計測される温度は電極に差し込んだ温度センサにより測定され，その検出端が電極と試験

計器ラック

片の接触位置と一致しないため，熱電能の算出に当って計測値を補正することが求められる(24)〜(26)．
なお，計測値の補正で必要となる因子には装置固有

測定部の値が含まれ，また，新たに製作した熱起電力測定
装置では電極形状や電極とサンプルの位置関係が従

図1

来の装置(21)と異なっており，従来の装置において実

熱起電力測定装置施した補正方法をそのまま転用することは適わず，測定装置毎に確認することが必要となる．ここでは，新たに製作した熱起電力測定装置に関する計測値の補正方法の検討のために実施した熱起電力測定装置の電極と試験片からなる系の熱伝導解析の結果を示ファン

し，それから導かれる計測値の補正方法に関する知見を示す．なお，熱伝導解析には汎用構造解析コー
ド ABAQUS(27)を使用した．

2.

熱起電力測定装置

2.1

熱起電力測定装置

ペルチェ素子

図2

コールドタッチの冷却機構新たに製作した熱起電力測定装置を図 1 に示す．
電極や試料台等を装備した測定部，シーケンサ等を収納した制御系ラック，計測器を収納した計測系

コールドタッチ

試料台

ラック，データ収集・記録用 PC から構成される．
電極材料には Cu を用い，高温側電極（ホットチップ）ではヒーターによる加熱が可能となっており，
低温側電極（コールドタッチ）では図 2 に示すペルチェ素子を用いた冷却機構をオプションとして用意
温度センサ

している．また，どちらの電極にも温度センサと電ホットチップ

圧測定用端子が差し込んであり，約 10m のケーブルを経由して，温度計と電圧計に接続している．試験片の長軸が電極軸と垂直になるようにして，試験片を試料台に設置した様子が図 3 である．測定時には

図3

2 つの電極を試料台の試験片に対して約 30N の荷重測定部に試験片を設置した状態で押し当てることにより，試験片内部に温度勾配を発生させ，電極に差し込んだ温度センサと電圧測定

2.2

熱電能の算出式用端子から電極間の温度差と電位差を検出する．
温度の異なる 2 つの電極を異種金属の材料表面に押し当てると，熱電効果により 2 点間に温度差 ΔT

227が生じることに伴い，電位差 ΔV が発生するが，ことなり，基準温度（Tref ）における値は，の両者を測定することにより熱電能を算出する．ところで，測定時の熱電回路は図 4 に示すように，

TEPCu   =ΔT
ΔT  ΔV  ΔT  +Q −Q      

ホットチップ，試験片，コールドタッチ，導線等の（1）
ここで，ΔVm/ΔTm の温度特性が傾きαの直線で示

中継部，電圧計から構成される．

されるとすると，測定時の試験片の温度を Tav とし

ここで，試験片の熱電能（TEP）を，試験片と電て極の接触点間の電位差 ΔV をその温度差 ΔT で割っ

ΔV
ΔV
=
+αT−T
ΔT  ΔT  



た値と定義すると，2 点間の電位差が熱電能と 2 点（2）

従って，基準温度における試験片の相対熱電能は，間の温度差の積となることから，

以下の式から算出される．
ΔV =TEP×T−T

TEPCu   ==V−V

ΔT
ΔT  ΔV  ΔT   

−αT−T+Q−Q =V+QT−T−V+QT−T
=V−V+QT−T−T+T
=V+QT−T−V+QT−T （3）式 3 の右辺の波括弧内において，第 1 項は熱起電+QT−T−T+T

力測定装置の計測値より得られ，第 2 項は材料毎の=V−V+QT−T+QT−T−T+T

実測値を式 2 に適用することより得られる．第 3 項
は電圧測定におけるゼロ点補正に相当する項で測定

よって，装置固有の値となるが，電極と同じ Cu を試験片として測定すると式 3 の左辺がゼロになることから決（接触点間の温度差） ΔT=T−T

定できる．従って，電極の温度差と接触点間の温度（２つの電極の温度差）ΔT=T−T（電圧計の指示）差の比β（=ΔTm/ΔT）を決定すれば，熱電能算出に

ΔV=V−V

必要な補正式が完成する．しかし，電極と試験片のとすると，
ΔT ΔVΔV
TEP=+Q−Q=Q+ΔT ΔT
ΔT

接触点の温度を実測することは不可能であるため，



測定時における試験片と電極の熱伝導解析から接触となる．なお，式中の各記号は図 4 に示す通りである．ゆ え に，電 極（Cu）に 対 す る 相 対 熱 電 能（TEPCu）は，
TEPCu=TEP−Q=

端子位置電位V2

ΔT ΔV+Q−Q
ΔT ΔT



（電圧計）

3.

熱伝導解析
材料中における定常時の熱伝導は，温度を T，熱伝導度を k，比熱を c，密度ρとして，
k 
∇ T=0
cρ

端子位置電位V1

電圧計端子間の温度差は無く、
等温Tvmとする

Qb

点の温度を推測し，βに関する情報を採取する．

コールドタッチ電位VcQbと表される．ここでは上式を基にして，電極と試験

ホットチップ電位Vh

片を接触させた場合の系の温度分布を求める．対象

Qa

TEP

Qa

コールドタッチ(Cu)

試験片ホットチップ(Cu)とする系は 2 つの電極（ホットチップ，コールドタッチ）と試験片から構成されており，それらを 3
次元ソリッド要素により要素分割した．

温度計
（低温側）
温度計指示Tc

接点電位Vcs

接点電位Vhs

接点温度Tcs

接点温度Ths

Qa：Cu電極の熱電能

図4

Qb：中継部の熱電能

測定時の熱電回路

温度計（高温側）
温度計指示Th

3.1

系の要素分割試験片の形状は 10 × 10 × 55（mm）と 10 × 10
× 25（mm）の 2 種類の直方体であり，熱起電力測

228

表1
Cu

単位

解析に用いる材料特性
Ni

Fe

2 相ステ
ンレス鋼

Ti

低合金鋼

熱伝導度

W/m・K

397

78.2

88.5

21.6

13.4

40.3

平均比熱

J/kg・K

386

456

452

8.93

7.87

8.9

528
4.5

469
7.9

445
7.8

密度

(a)

(b)

kg/m

3

試験片の長軸を電極軸と垂直にする場合
図6

ホットチップの要素分割

図7

コールドタッチの要素分割

試験片の長軸を電極軸と平行にする場合
図5

試験片の要素分割

定時の試験片と電極の位置関係に応じて要素分割の方法を変えているため，試験片の要素分割には 6 種

ターを取り付けている電極の（試験片から見て）後類 あ り，節 点 数 は 14,641〜28,413，要 素 数 はろ側を省略して手前側だけを要素分割した．節点数

13,192〜26,880 である．例として，長さ 55mm の試は 17,177，要素数は 16,320 であり，すべての解析

験片の長軸を電極軸と垂直にする場合と試験片の長で要素分割の方法を統一している．電極素材は Cu

軸を電極軸と平行にする場合を図 5 に示す．試験片であり，解析に用いる材料特性は表 1 の通りである

材料には，Fe，Ni，Ti，2 相ステンレス鋼，低合金(28)．解析においては，材料特性はホットチップ全体鋼を想定し，解析に用いる材料特性は表 1 に示す通で均一とし，電極突端面を試験片との接触面，電極りである．純金属である前 3 者については文献値を

側面部を空気との熱伝達境界とした．後背部は要素採用し(28)，合金材である後 2 者については実際に測分割から除外した領域との接面とそれ以外の筐体内定された値を採用した．解析においては，材料特性で滞留する加熱された空気との接面に区分し，前者は試験片全体で均一とし，電極との接触面を除く全をホットチップの設定温度による温度固定面，後者

表面を外気との熱伝達境界と設定した．

を断熱境界とした．

ホットチップは図 6 に示すように，加熱用ヒーコールドタッチは図 7 に示すように電極全体を要229

コールドタッチ

電極軸

ここで，式中の記号は図 8 の通りであり，電極と試試験片

験片の接触温度を接触点の節点の温度の平均と設定
した．
Tcs

Tce

Tcr

Tct

Tht

Ths TheThr

Thr：ホットチップに差し込んだ温度センサの検出端位置の節点の温度
The：ホットチップと試験片の接触面の内，ホットチップ側の節点の温度
Tht：ホットチップと試験片の接触面の内，試験片側の接点の温度
Tce：コールドタッチと試験片の接触面の内，コールドタッチ側の節点の温度
Tct：コールドタッチと試験片の接触面の内，試験片側の節点の温度
Tcr：コールドタッチに差し込んだ温度センサの検出端位置の節点の温度
Ths：ホットチップと試験片の接触位置温度
Tcs：コールドタッチと試験片の接触位置温度

図8

ところで，解析に用いる 4 つの熱伝達係数，すな
わち，外気との熱伝達係数，コールドタッチと筐体との熱伝達係数，ホットチップと試験片の熱伝達係数，コールドタッチと試験片の熱伝達係数は，それぞれ，2.5 × 10-5，2.5 × 10-6，1.0，0.003 と仮定．これらは実した（いずれも単位は，W/mm2・K）

βの算出に使用する節点の温度際の測定結果と比較して検証した値ではないため正確とは言えないが，定性的な検討をする上では十分素分割し，節点数は 24,178，要素数は 22,512 であであると考えている．

り，すべての解析で要素分割の方法を統一している．
電極素材は Cu であり，解析に用いる材料特性は表

3.3.

解析結果

1 の通りである (28)．解析においては，材料特性は
コールドタッチ全体で均一とし，全表面を試験片と3.3.1 定常時の温度分布の接触面，空気との熱伝達境界，電極を収納する筐体との熱伝達境界の 3 つに区分しており，測定の際に冷却機構を使用しない場合の系となっている．

ホットチップ単体の定常解析により得られた測定開始時の初期温度分布を図 9 に示す．最高温度と最低温度の差は 0.032℃となっており，ホットチップ

3.2

解析手順

を試験片に接触させる時点では，ホットチップ全体が設定温度でほぼ均一となっていることが分かる．

実際の測定では，ホットチップを設定温度まで加図 10 では，ホットチップ設定温度 40℃，外気温

熱して温度が安定した後，コールドタッチとホット

度 25℃として，材質が Fe で長さ 55mm の試験片のチップを試験片に接触させて測定に入るが，解析で中央部に電極を接触させた場合の定常解析の結果をも測定と同様な手順を取る．最初に，外気と等温に示す．図 10(a)では系全体の温度分布を示すが，温なっているホットチップをホットチップ設定温度に度勾配が発生しているのは試験片のホットチップとなるように加熱した状態を定常解析し，その解析結の接触点近傍だけである．ホットチップは設定温度

果をホットチップの初期温度分布と規定した．なお，

でほぼ一様であり，コールドタッチと試験片のコー

試験片とコールドタッチの初期温度分布は共に 25℃

ルドタッチ近傍もほぼ一様な温度となっている．図で全体一様で，外気温度は測定の全期間に渡って不10(b)ではホットチップの突端付近の温度分布を示変として，定常解析を実施した．

すが，試験片との接触点近傍において温度の急勾配

解析は表 2 に示す通り，計 96 通りについて実施しが見られ，突端から距離が約 1mm の地点で約 1.1℃

た．注目点は，(1)試験片の長軸と電極軸の関係，の温度差が生じている．図 9(a)の初期温度分布との(2)電極の接触位置，(3)試験片の長さ，(4)ホット比較から，ホットチップ突端の温度と温度センサのチップの設定温度，(5)外気温度，(6)試験片の材質

検出端位置の温度の差が拡大していることが分かるの 6 点である．解析終了後，電極軸上の節点の温度が，これが熱起電力測定における計測値補正を要す分布から，それぞれの場合について，電極の温度差る理由の一つである．図 10(c)では試験片内部の温と接触点間の温度差の比βを式 4 で計算した．

度分布を示すが，ホットチップとの接触点を中心と



T=

T=

して半球状の温度分布が形成されることが見てとれT+T
2
T+T
2

T−T
β=T−T

る．図 10(d)では試験片のコールドタッチ側表面の(4)

温度分布を示すが，電極との接触面（10 × 10mm）
内の節点の最高温度と最低温度の差は 0.02℃未満であり，この接触面内では一様といえる．これより，
コールドタッチと試験片の接触位置温度を接触面の

230

表2

解析の条件設定

Y5C

Y5E

Y2C

Y2E

N5

試験片の節点数

17,061

16,093

14,883

14,641

28,41320,097

試験片の要素数15,192

14,392

13,392

13,192

26,88018,8161

試験片の長軸と電極軸
の関係

垂直

垂直

垂直

垂直

平行

平行

2

電極の接触位置

試験片中央部

試験片端部

試験片中央部

試験片端部

試験片端面

試験片端面

3

試験片の長さ

55mm

55mm

25mm

25mm

55mm

25mm

4

試験片の材質

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

Fe

4 通り
（30,35,40,45）

4 通り（30,35,40,45）

4 通り（30,35,40,45）

4 通り（30,35,40,45）

4 通り（30,35,40,45）

4 通り（30,35,40,45）

3 通り（22,25,28）

3 通り（22,25,28）

3 通り（22,25,28）

3 通り（22,25,28）

3 通り（22,25,28）

3 通り（22,25,28）

ホットチップ設定温度
及び外気温度

ホットチップ：40℃
外気：25℃

ホットチップ：40℃
外気：25℃

ホットチップ：40℃
外気：25℃

ホットチップ：40℃
外気：25℃

ホットチップ：40℃
外気：25℃

ホットチップ：40℃
外気：25℃

試験片の材質

4 通り
4 通り
4 通り
4 通り
4 通り
4 通り
（Ni, Ti, 低合金鋼， （Ni, Ti, 低合金鋼， （Ni, Ti, 低合金鋼， （Ni, Ti, 低合金鋼， （Ni, Ti, 低合金鋼， （Ni, Ti, 低合金鋼，2 相ステンレス鋼） 2 相ステンレス鋼） 2 相ステンレス鋼） 2 相ステンレス鋼） 2 相ステンレス鋼） 2 相ステンレス鋼）

N2

試験片の配置ホットチップ設定温度（℃）
外気温度（℃）

5

温度（℃）
温度センサ
検出端

40.0
40.2
ホットチップモデルの後背面

温度センサの検出端位置

温度（℃）

40.1

40

39.9

39.8
0

5

10
電極軸上の位置（mm）

15

20

39.97

(a)

ホットチップの初期温度分布(b)

ホットチップの電極軸上の初期温度分布(X=0 が突端)

図 9 ホットチップの初期温度分布

電極軸上の 1 点で代表しても問題にはならないと判中での被測定領域となる範囲が限定されることを示断した．

している．なお，図 11 と式 4 から，この場合の定常

図 11 では，ホットチップ，試験片，コールドタッ

時のβは 1.345 と計算される．

チの電極軸上での温度変化を示す．ホットチップと試験片の接触点近傍での温度変化が全体の温度変化

3.3.2 βの比較の大半を占めていることが分かる．温度差のない所
では熱起電力は生じないことから，計測される電圧以降では，表 2 に示した 96 通りの場合の熱伝導解の大半がこの範囲に起因することになり，試験片の析の結果から，βの判定に関連する知見を導く．表

231

4.9mm

2.23mm

0.97mm

コールドタッチと試験片の接触面

1.37mm（a）系全体の温度分布

(a)

(c)

系全体の温度分布(b) ホットチップの突端付近の温度分布

試験片内部の温度分布
図 10

42

（コールドタッチ）(d)

試験片のコールドタッチ側表面の温度分布

定常解析の結果例：Y5C（ホットチップ設定温度 40℃，外気温度 25℃）
（試験片）

2 に示す 6 通りの試験片配置について，ホットチッ（ホットチップ）

プの設定温度（40℃），外気温度（25℃），試験片の材質（Fe）を共通として定常解析から得られた試験

温度（℃）

37

片の電極軸上の温度分布と電極に差し込んだ温度セ32

ンサの検出端の温度を図 12 に示す．いずれの場合も3.3.1 で示したのと同様に，ホットチップと試験片

27

22
−60

図 11

の接触点近傍で温度変化の大半が生じ，ホットチッ
プに差し込んだ温度センサの検出端位置の温度と
−50

−40

−30

−20
−10
電極軸上の位置（mm）

0

10

20

ホットチップ，試験片，コールドタッチの電極
軸上の温度分布：Y5C（ホットチップ設定温度
40℃，外気温度 25℃）

ホットチップ先端の温度に差が発生している．これ
らを式 4 に適用して得られたβは図 13 の通りである．
得られたβを，5 通りの観点（試験片の配置，電極の接触位置，試験片の長さ，ホットチップ設定温度と外気温度，試験片の材質）から比較する．

232

42

42

（コールドタッチ）（試験片）（コールドタッチ）（ホットチップ）（ホットチップ）

温度センサの検出端

37

温度センサの検出端
温度（℃）

温度（℃）

37

（試験片）
ホットチップ設定温度

ホットチップ設定温度3232

温度センサの検出端

温度センサの検出端
27

27

外気温度

外気温度

22
-15

-10

-5
0
電極軸上の位置（mm）

(a)

5

22
−15

10

(d)

（試験片）

37

5

10

Y2E の場合

42（ホットチップ）（試験片）（コールドタッチ）

ホットチップ設定温度（ホットチップ）

ホットチップ設定温度
温度センサ
の検出端

37

温度センサの検出端
温度（℃）

温度（℃）

−5
0
電極軸上の位置（mm）

Y5C の場合

42（コールドタッチ）

−10

32

32

温度センサの検出端

温度センサの検出端

27

27

外気温度

22
−15

外気温度

−10

−5
0
電極軸上の位置（mm）

5

10

22
−60

−50

−40

(e)

(b) Y5E の場合

−10

0

10

N5 の場合42

42（コールドタッチ）（試験片）（コールドタッチ）（ホットチップ）

温度センサの検出端温度（℃）

温度センサの検出端

温度センサの検出端

32

温度センサの検出端

27

27

外気温度

外気温度

−10

−5
0
電極軸上の位置(mm)

(c)
図 12

比較 1

（ホットチップ）

37

32

22
−15

（試験片）

ホットチップ設定温度

ホットチップ設定温度
37

温度（℃）

−10
−20
電極軸上の位置（mm）

5

10

22
−30

−20

−10
電極軸上の位置（mm）

010(f) N2 の場合

Y2C の場合

定常時の電極軸上の温度分布（ホットチップ設定温度 40℃，外気温度 25℃）

試験片の配置（Y5C，N5），（Y2C，N2）

3 桁目まで一致し，同一試験片を同一の外部環境で試験片の長軸と電極軸が平行の場合と垂直な場合

測定する場合，電極を接触させる位置を変えても計の比較から，同一試験片を同一の外部環境で測定す測値の補正式はほとんど変化しないことが確認されるとしても，試験片の配置によって計測値の補正式

る．

が異なることが確認される．
比 較 3
比較 2

電 極 の 接 触 位 置（Y5C，Y5E），（Y2C，

Y2E）

試 験 片 の 長 さ（Y5C，Y2C），（Y5E，Y2E），（N5，N2）
試験片の長さが 55mm の場合と 25mm の場合の比電極を試験片の中央部に接触させる場合と端部に較から，同一の外部環境で測定するとしても試験片接触させる場合を比較すると両者のβは小数点以下の長さにより計測値の補正式が変化し，試験片の長

233

表3

1.4

試験片の
配置
Y5C

1.35

1.3

β

ホットチップ設定温度と外気温度を変化させた場合に得られた定常時のβ

1.25

1.2
Y5C

Y5E

図 13

Y2C
Y2E
試験片の配置N5N2算出された定常時のβ12 通りの平均値
1.345

1.0E-06

最大値と最小値の差
0.4E-05

標準偏差

Y5E

1.345

0.6E-06

0.2E-05

Y2C

1.357

0.7E-06

0.3E-05

Y2E

1.357

0.8E-06

0.3E-05N5

1.271

0.5E-06

0.2E-05N2

1.323

0.7E-06

0.3E-05

25，28℃の 3 通りとし，計 12 通りの組合せについて

1.5

定常時のβを計算すると表 3 のようになった．これ

1.4

より，いずれの試験片配置であっても，βがホット
1.3
β

チップ設定温度や外気温度に影響されることはなく，ホットチップ温度が 30〜45℃，外気温度が 22〜28℃

1.2の場合には，βは温度に依存しない変数とおくこと

1.1が可能と考える．
1
Y5C

図 14

Y5E
Y2C
Y2E
N5
試験片配置（ホットチップ設定温度：40℃、外気温度25℃）

N2

比較 5

試験片の材質を変化させた場合の定常時のβ試験片の材質ホットチップ設定温度を 40℃，外気温度を 25℃とし，試験片の材質を変化させた場合のβを計算した．
材質は Fe，Ni，Ti，2 相ステンレス鋼，低合金鋼の1.5

2相ステンレス鋼

低合金鋼

Ti

Fe

Ni

5 種類であり，βは図 14 のようになった．これよ

Y2C

1.4

Y5C

り，図 13 により材質が Fe の場合に示したことが，N2
N5

他の 4 種類の材料にも該当するが，低合金鋼，Ti，

β1.3

2 相ステンレス鋼の順に，試験片の配置によるβの1.2

違いが小さくなることが分かる．
1.1

材質が変わると試験片の熱伝導率も変化するので，

1
0

10

図 15

20

30

40
50
60
70
試験片の熱伝導度（W / m・k）

80

90

100

試験片の熱伝導率と定常時のβ横軸に熱伝導率をとって整理すると図 15 のようになった．なお，Y2E と Y5E の場合はそれぞれ Y2Cと Y5C に重なるため，図 15 にはプロットしていな
い．これより，βが定数ではなく，試験片の熱伝導度に比例して変化することが確認できる．従って，軸を電極軸と平行になるように配置した場合には違

熱起電力測定を実施する場合は少なくとも対象物のいがより顕著になることが確認できる．

熱伝導率を測定あるいは推定できることが望ましいと結論できる．

以上の 3 通りの比較からβに関して，電極に対する試験片の配置と試験片の長さが影響し，電極接触

4.

まとめ

位置が影響しないと判断される．以降の比較は，試
験片の配置毎に行う．

新たに，原子炉容器の監視試験片の熱起電力測定を目的とした熱起電力測定装置を製作した．この熱比較 4 ホットチップ設定温度と外気温度起電力測定装置により計測される温度と電圧から測試験片の材質は Fe として，ホットチップ設定温

定対象の熱電能が得られるが，計測される温度は電度は 30，35，40，45℃の 4 通り，外気温度は 22，

極と試験片の接触温度とは一致しない．そこで，新234

たに製作した熱起電力測定装置に関する計測値の補Conducting Surveillance Tests for Light Water

正方法の検討のため，熱起電力測定時の電極と試験

Cooled Nuclear Power Reactor Vessels, E706片からなる系の熱伝導解析を実施し，解析結果に対（IF）,Q Annual Book of ASTM Standards, Vol.

する考察から，計測値の補正方法に関して，以下に

12. 02., American Society for Testing and

示す知見を得た．

Materials, West Conshohocken, PA.

(１) 熱起電力測定装置より得られる計測値の補正で(５)（独）原子力安全基盤機構，高経年化技術評価

は，計測される電極間温度差と真の接触面間温審査マニュアル 原子炉圧力容器の中性子照射

度差の比βが重要な因子となる．

脆化，JNES-SS-0507-01 (2006).

(２) 熱起電力測定時の温度計測値と真の温度の違い(６) 例えば，（独）原子力安全基盤機構，高経年化の大半は，ホットチップと試験片の接触点から技術評価等報告書に対する技術審査報告書（関約 1mm の範囲内で発生する．

西電力株式会社美浜発電所 3 号機） (2006).

(３) 試験片の長軸を電極軸に対して平行にする場合と垂直にする場合では，βが異なる．
(４) 電極を接触させる位置が試験片の中央部でも端部でも，βは一致すると見なせる．
(５) 試験片の長さによりβは変化するが，試験片の長軸を電極軸に対して平行にした場合は変化が顕著になる．
(６) ホットチップ設定温度を 30〜45℃，外気温度を 22〜28℃に変化させても，βは変化せず，
この温度範囲では定数と見なすことが可能である．
(７) 試験片の材質によりβが変化するため，異種材料間で計測結果を比較する場合には注意が必要
である．

(７)（独）原子力安全基盤機構， 原子炉圧力容器監
視 試 験 片 の 再 生 に 関 す る 調 査 報 告 書，
JNES-SS-0601 (2006).
(８) 土肥謙次，N軽水炉圧力容器鋼の小型シャル
ピー衝撃試験技術の開発，Q 電力中央研究所研
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演会要旨集，173-174 (2005).
(11) 中東重雄，程衛英，志波光晴，古村一朗，高橋則雄，藤原耕二，N電磁気的手法による圧力容

謝辞

器鋼（SQV2A）の照射脆化度評価，Q 技術レビュー, 2, 34-40 (2006).

熱伝導解析モデルの作成について，協力していた(12) M. Delnondedieu, J.F. Coste, H. Hegeman, et al.,

だいた伊藤忠テクノソリューションズ（株）の太田NGRETE project-Evaluation of non-destruc-

垣良氏に感謝申し上げます．また，ABAQUS の使tive testing techniques for monitoring of

用法等を指導して頂いた（株）原子力安全システム

material degradation,Q FISA2003 EU Re-

研究所の三上雅生氏に謝意を表します．

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November, (2003).

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