原子力安全部会・標準委員会 合同セッション「原子力分野の技術戦略マップ間の連携について」

水化学ロードマップ2009の概要

平成21年9月16日

水化学部会「ロードマップフォローアップ小委員会」
小野 昇一（東電）
昇 （東電） 瀧口 英樹（原電） 内田 俊介(JAEA) 勝村庸介（東大）

1

水化学ロードマップ2009策定の目的と経緯•

軽水炉の安全性・信頼性にかかわる重要課題の多くは、高温・高放射線環境下で構造材料あるいは燃料と、冷却材・減速材として用いられている水の境界領域で発構造材料あるいは燃料と、冷却材減速材として用いられている水の境界領域で発生している。水化学は、各種構造材料と燃料が水を介して相互に影響を及ぼすプラントシステムを包括的に捉え、多様な課題や目標に対し調和的な解決あるいは実現を目指す工学分野である。

•

近年、我が国では、エネルギーセキュリティー・地球温暖化防止の観点から、基幹電源としての原子力発電の役割に期待が高まっており、安全性・信頼性の確保を前提に、既存軽水炉の活用（高経年化対応、利用高度化、燃料高度化）ならびに次世代型軽水炉の開発が進められている れらを矛盾なく効率的に推進するためには代型軽水炉の開発が進められている。これらを矛盾なく効率的に推進するためには、関連分野と協力･連携のもと、水化学分野の貢献が欠かせない。

•

このような認識に立ち、 2007年2月、「水化学による原子力発電プラントの安全性および信頼性維持への貢献」を目標に掲げ、第一次水化学ロードマップが、び信頼性維持
献 を 標 掲げ 第 次水化学
ドプが （独）原子（独）原力安全基盤機構からの請負により、 （社）日本原子力学会「水化学ロードマップ検討」特別専門委員会にて、産官学の専門家による検討を通じて作成された。

•水化学ロードマップ2009は、 （社）日本原子力学会水化学部会に設置した「ロードマップフォローアップ小委員会」（主査：勝村庸介東京大学教授）において、その後の状況の変化や新たな知見･経験を反映すると共に、関連分野のロードマップ・技術戦略マップの動向を踏まえ 第一次水化学ロードマップを見直したものである
戦略マップの動向を踏まえ、第次水化学ロ ドマップを見直したものである。
2水化学ロードマップ策定の意義•燃料と構造材は冷却水を介して相互に影響を及ぼしあっている。構造材－燃料－水の境界領域で生じる諸課題を調和的に解決するために水化学の貢献は欠かせない。
水化学ロ ドマップは、これら諸課題をプラントシステム全体のバランスの中で調和的に解決をこれら諸課題をプラントシステム全体のバランスの中で調和的に解決を•水化学ロードマップは目指すアプローチを利害関係者に示すコミュニケーションツールとして策定された。

原子炉冷却水応
力
腐食
割れ

ラジオリシス
放射線分解
放射線分解生成物
O2 , H2O2, etc.
不純物・添加薬品
温度 流れ 沸騰
温度、流れ、沸騰
腐食生成物（クラッド）

クラッド付着クラッド付着放射化

燃料性能低下（ AOAA など）

課題事象

腐食
減
肉

クラッド輸送放射化クラッド
冷却材の浄化
放射性廃棄物発生量増加

被ばく増
大

高経年化

課題事象

構造材料（経年劣化）

腐食環境

基礎現象

腐食環境

基礎現象

被覆管腐食・水素化

軽水炉利用高度化燃料（放射線場）

燃料高度化

課題事象

3

水化学ロードマップ フォローアップの実施体制

高経年化対応技術戦略マップ

高経年化対応技術戦略マップ策定
アドホック委員会
PLM研究推進会議
PLM総括検討会

整合
整合･連携

水化学ロードマップ2009
2009
水化学ロードマップ
水化学ロードマップ2009

燃料高度化技術戦略マップ

総合調整・取り纏め（社）日本原子力学会（社）日本原子力学会
水化学部会
水化学部会
ロードマップ
ロードマップフォロ
フォローアップ
ア プ
フォローアップ
小委員会
小委員会

整合･連携

（社）日本原子力学会
核燃料部会
燃料高度化ロードマップ
燃料高度化
ド ップ
実行委員会

課題別検討

経済産業省
原子力安全・保安院
高経年化対策強化
基盤整備事業

被ばく・廃棄物低減小委員会
被ばく・廃棄物低減小委員会

4水化学ロードマップ2009 ロードマップ（全水化学ロードマップ2009体）
'07

第I期

'12

第II期

'17

第III期

'22

第IV期

安全性・信頼性維持
最適水化学制御・被ばく線量低減

世界トップレベルの低い平均（集 革新的線源低減技術開発で世界トッ団）線量達成
プレベルの平均（集団）線量維持

・構造材の高信頼化

構造材の信頼性向上（腐食環境の予知・計測）

・燃料の高信頼化

構造材の寿命延長（腐食環境緩和）燃料部材の腐食/水素化機構解明・性能低下防止

公益性の向上保全・利用高度化へ
保全
利用高度化への寄与
・定検の期間短縮･間隔伸長による稼働率向上
・出力向上

水化学指標による
材料異常の早期検知

安全実績指標PIへの
水化学指標の取入安全実績指標による定検間隔最適化
状態基準保全への寄与

透明性の確保水化学民間規準の作成・改訂と普及

水化学管理指針・水化学技術規格

人的基盤の構築
人材育成/国際協力

教科書編纂 インターンシップ開催
教科書編纂、インタンシップ開催、サマサマースクール開催
スク ル開催
国際会議・シンポジウム開催、国際共同研究、施設共同利用
5

水化学ロードマップ2009

ｰ抽出された個別課題と相関ｰ

水化学による原子力発電プラントの水化学による原子力発電プラントの安全性・信頼性維持への貢献
安全性・信頼性維持への貢献

構造材料の高信頼化
1.応力腐食割れ（SCC）
環境緩和

2 配管減肉環境緩和
2．配管減肉環境緩和

・SCC環境評価手法・技術 ・配管減肉環境緩和技術のの標準化・検証
開発・標準化・検証
・炉内SCC環境（放射線分 ・配管減肉メカニズムにお解性生物の挙動）に関す
ける水化学因子の定量化る基盤研究の推進（配管減肉予測評価への・SCC環境評価手法の寄与）
高度化
・新たなSCC環境緩和技術の開発・検証・標準化の開発
検証 標準化

環境負荷軽減燃料の高信頼化
5．被覆管・部材の腐食/水素化の抑制

6．性能維持（AOA抑制）7.被ばく線源低減（作業環境改善）・腐食/水素吸収メカニズ ・AOA発生メカニズ
ムの解明
ムの解明
・腐食/水素吸収対策技術 ・AOA抑制策の開発の開発
・データや評価技術
・データや評価技術のの検証
検証
・腐食/水素化予測法の確立

・既存線源低減技術高度化
・革新的線源低減技術開発
・水質変更の影響評価

8．環境･一般公衆への影響低減
・廃棄物発生量低減
・水化学制御薬品無害化、系外放出抑制

3．SG長期信頼性確保
・クレビス腐食環境監視技術の開発・適用
・スケール・スラッジの付着防止技術・除去技術の高度化
・不純物管理の高度化・標準化

4.状態基準保全への支援
・水化学管理システム・オンラインモニタの高度化
・腐食環境評価手法・腐食環境緩和技術の実証
ヘルスマネ ジメント技術の開発と適用
・ヘルスマネージメント技術の開発と適用諸課題への取組みを支える基盤
9.水化学共通基盤技術

10．人･情報の整備

・腐食環境評価技術
・腐食メカニズム（主として水化学側からの寄与）
・酸化物･イオン種の付着･脱離メカニズム・模擬および加速実験方法
模擬および加速実験方法

・人材育成
・管理技術・分析技術・腐食緩和技術の標準化
・関連分野・産官学の協力
・国際協力・国際貢献
国際協力 国際貢献

6課題別ロードマップの構成
課題調査表

導入シナリオ
SCC環境緩和とは
SCC環境緩和とは ・SCCの発生･進展を抑制し、構造材料を長期に亘り健全に適用有効性検証

使用するためには、材料自身の耐食性強化や材料に加わる応力の低減のみならず、材料が使用される環境（高温水）を緩和することが重要であり、軽水炉の安全性と公益性を高める観点から、このSCC環境緩和を取り込んだ、科学的合理性のあるプラントの維持管理を確立する必要がある。
・軽水炉では、炉心部で発生する放射線により冷却材である水が分解して生じる酸素や過酸化水素などが主要環境因子となる。これらの気相への移行や寿命の長短、材料表面への拡散速度などにより、炉内のSCC環境は一様ではなく、また、水素注入などのSCC環境緩和効果も部位によって異なる。さらに、今後の燃料高度化や出力向上においても、水の放射線分解挙動、すなわち、SCC環境が変化すると予想される。
・軽水炉では、同じ水が多様な材料（構造材料、燃料被覆管）と接しており、ある部位の構造材を対象にSCC環境緩和を行う場合、他の材料の腐食や冷却材中の放射性核種の挙動に影響を及ぼす可能性がある。
・SCC環境緩和では、部位毎の効果と副次影響を的確に予測すること、および、予防保全としての有効性を検証し、プラント維持管理に適切に反映することが重要である。

規制基準の整備学協会規格エンドース

規格基準の構築・精緻化

実機事例/データ

SCC機構解明・シミュレーション
SCC環境緩和技術の開発・高度化

検証

SCC環境評価技術の開発・高度化

検証

・環境（水化学）因子に着目したSCC発生進展デー
タの整備・SCCメカニズ
ム解明・炉内SCC環境予測評価
技術、炉内SCC環境計
測技術の開発・高度化
・SCC環境緩和技術の開発（燃料・被ばくへの副次影響回避含む）①産業界の役割-安全性･信頼性・経済性の確保向上を目的とした開発研究および基盤整備②国・官界の役割-安全規制における適切な行
政判断に必要な安全研究‐必要な基盤（知識･人材・施設･制度）の整備-産学の安全に係わる研究と基盤整備に係わる支援・データや評価技術の検証
・学協会企画のエンドー
ス・規制基準の整備
・施設基盤の整備③学術界の役割・基盤研究にかかわる人材育成
・規格基準の構築･精緻化支援-知の蓄積と展開（安全基盤研
究の検証）-研究を支える人材の育成

研究方針 ・SCC環境因子定量化の観点から、SCC発生・進展データの取得・蓄積を行い それに基づいを行い、それに基づいてSCC機構解明を推進する。
機構解明を推進する・ SCC環境緩和技術の開発とSCC抑制効果･副次影響の定量化・標準化を行う。
・炉内SCC環境の予測評価手法・計測手法の標準化高度化を行う。
・SCC環境緩和技術およびSCC環境予測･計測手法と、維持規格とのリンクにより、安全性と公益性を両立させるプラント維持管理の実現を図る。

④学協会の役割-規格基準化とその高度化に貢献

・規格基準の精緻化

産官学の連携・SCC機構解明（水化学因子の定量化）基盤研究として産官共通のニーズがあり、かつ、学の研究ポテンシャルを踏まえ産官学共同の効率的実施が必要。
・ SCC環境緩和技術の開発とSCC抑制効果･副次影響の定量化・検証に係わる施設基盤
軽水炉のSCC環境は、水の放射線分解と深く係わっており、産学の協力の下、照射試験施設の整備やその運用など国家レベルの対応が必要。
・SCC環境緩和研究に対応できる人材育成
産官学の人的交流を図り、SCC環境緩和研究に対応できる幅広い能力を備えた人材を育成する。

先行技術戦略
マップと同様の形
式で策定

技術マップ
技 術 課 題

課 題
番 号

ラジオリシスモデル・腐食電位(ECP)モデルの標準化・高度化

1-1～2

実機環境モニタリング技術およびSCCモニタリング評価技術の標準化・高度化・開発

1-1～2

目

SCC環境緩和技術の開発・高度化

概役割分担（実施／資金）要

炉水の放射線分解生成物と構造材料との相互作用をモデル化し、実測が困難な炉内SCC環境の分布や、SCC環境緩和技術の有効性を予測・評価する手法を標準化すると共にその高度化を行う。

産／産

SCC環境緩和技術の有効性を検証するため、また、モデルによる予測･評価を裏付けるため、実機炉内のSCC環境を直接計測するモニタリン
グ技術を標準化すると共に、その高度化や新たな技術の開発を行う。

産／産

水素注入技術の改良/BWR

1-3

水素注入量（SCC環境緩和効果）の増加に伴う主蒸気系線量率上昇の抑制、停止時被ばく線量の上昇抑制

NMCA適用技術の改良/BWR

1-3

炉心上部におけるSCC環境緩和効果の拡大
燃料健全性への影響抑制・停止時被ばく線量の上昇抑制

一次系溶存水素濃度の低減/PWR

1-4

IASCC・PWSCC抑制のための溶存水素濃度の最適化
放射線分解抑制・燃料健全性維持・被ばく線源上昇の抑制

高濃度Zn注入/PWR

1-5

高濃度亜鉛注入によるPWSCC抑制
燃料健全性・性能（AOA）への影響回避

新しいSCC環境緩和技術の開発（酸化チタン等水素注入代替技術）

1-3
1-6

SCC抑制効果が高く、副次影響が少ない環境緩和技術の開発

産／産

実機一次系の各部においてSCC環境（腐食電位など）を計測し、SCC環境緩和技術の有効性･範囲を明確にするとともにラジオリシスモデ
ル・腐食電位モデルの検証高度化に資する。

実機SCC環境評価および環境緩和効果の実証

1-1～2

SCC発生・進展への水質の影響評価

SCCの発生・進展挙動に及ぼす水化学因子の影響に係わるデータの1-7～11 拡充と高精度化（HAZ、応力拡大係数、運転モード、荷重モード、照射影響との重畳効果を含む）

SCC発生進展に及ぼす環境因子の影響に関するデータ整備・ 累積照射量とSCC環境緩和効果の評価（IASCC）
高精度化

炉内構造物や制御棒などにおいて、中性子フルエンスの増加がSCC
環境緩和技術の効果に及ぼす影響に関するデータの拡充・高精度化

1-12～14

中性子照射下や局所水質環境下でのIASCC特性評価

1-12～14照射下での材料表面近傍、隙間内部、クラック先端などの局所水質がSCC挙動に及ぼすデータの整備

軽水炉高度利用・燃料高度化の影響評価

1-15・出力向上、燃料の高燃焼度化が及ぼすSCC環境の過酷化の程度の把握
・SCC挙動への影響に関するデータ整備

産／産ロードマップ
第I期
年度

070809

第II期
1011121314

第III期
1516171819

第IV期
20

炉内SCC環境評価手法の開発、高度 ラジオリシス・ECPモデル標準化
化・標準化
モニタリング技術標準化

2122232425初期原子力プラントの60年まで

初期原子力プラントの50年まで

40年まで

高度化
高度化・新技術開発
SCC環境評価・計測技術の検証
環境評価 計測技術 検証

データや評価技術の検証、規制基準の整備照射試験を含む施設の整備
SCC環境緩和技術の検証

実証試験

DH濃度低減・影響検討/PWR

概要（内容）

１次系の溶存水素は水の放射線分解抑制を目的に添加されている。この水素濃度によりニッケルの化学形態が変化するため被ばく線源に影響するが、１次系構度によりニッケルの化学形態が変化するため被ばく線源に影響するが１次系構成材のPWSCCにも影響することが知られている。ただし、下限値(15cc/kg)を下回る低水素濃度(低DH)管理の適用に関しては水の放射線分解抑制効果が維持されていることを確認する必要がある。さらに燃料性能・健全性に及ぼす影響についても併せて許容範囲にあることを検証する必要がある。

導入シナリオとの関連

環境緩和効果の明確化、規格規準化／標準化、環境緩和技術の高度化・開発・検証

課題とする根拠（問題点の所在）

1次冷却材に溶存させている水素は水の放射線分解抑制が目的であるが、ニッケル基合金のPWSCC挙動に影響することが得られつつありEPRIでは進展速度に注目し、現状の上限値(50cc/kg)を超える高DH管理を検討しているが、PWSCC発生時間が短縮する問題がある。一方、現状の下限値（15ｃｃ/kg）を下回る低水素濃度側では、進展・発生両面の改善が期待できるが、水の放射線分解抑制の観点から数ｃｃ/ｋｇ程度が限界となる。この範囲で実機温度近傍での長時間試験によりPWSCC抑制効果を実証する必要がある。また、溶存水素濃度を増減させる
場合には、被ばく線源上昇や燃料被覆管の腐食・水素吸収増あるいはＡＯＡへの影響を検証する必要がある。

現状分析

被ばく線源低減には低DH管理が有効であることが得られている。また、現状の下限値(15cc/kg)でも放射線分解抑制には十分とされているが、更に低濃度側についてより詳細な検討が必要と考えられる。

検証

SCC環境計測技術の開発・高度化基盤研究・応用研究を担う人材の育成

産官学の役割分担

・BWRでは、既に水素注入や貴金属注入によるSCC環境緩和が実用化されているが、様々な制約から炉内全域で酸素や過酸化水素を十分抑制するには至っておらず、新たな緩和技術の開発も進められている。一方、PWR一次系では放射線分解で生じる酸素や過酸化水素は高濃度の水素注入により炉内全域で十分抑制されており、これまでSCC環境因子として問題とならなかった。しかし、最近、高濃度水素下でニッケル基合金のPWSCCが加速される事実が明らかとなり、水素濃度の見直しや新たなPWSCC環境緩和技術へのニーズが高まっている。
・JSME維持規格において、BWRにおけるSCC環境緩和の効果（腐食電位の低減）を加味したSCCき裂進展評価が示されているが、現状、SCC環境緩和効果は、点検頻度の適正化など実機の維持管理はまだ反映されていない。また、PWR一次系については、SCC環境緩和による予防保全効果そのものが取り込まれていない状況にある。
・SCC環境緩和を適切にプラントの維持管理に取り込むためには、先ず、材料・応力因子との関連においてSCC環境緩和効果の定量化する必要があり、必要な実験データの取得とそれに立脚したSCC発生･進展機構の解明が不可欠である。また、実機炉内SCC環境（腐食電位など）を直接計測する手法の標準化や計測場所の制約を補う予測評価手法の標準化が喫緊の課題となっている。
・新たなSCC環境緩和技術の開発や水素注入濃度の見直しに際しては、他の構造材料や燃料被覆管の腐食、腐食生成物の付着・被ばく線源の上昇などへの影響について予め評価しておくなど、原子炉をシステムとして捉えた幅広の検討が必要となる。

項

ＰＷＲ1次冷却材の溶存水素低濃度管理

水の放射線分解とSCC環境の調査･研究に必要な施設基盤の整備
水の放射線分解とSCC環境の調査
研究に必要な施設基盤の整備

現状分析

炉内SCC環境評価手法の開発、高度化・標準化

課題名

実機適用
実機適用

Zn濃度最適化・影響検討/PWR

26

関連分野との関連を記載
・水化学・被ばく低減との関係
・材料との関係・燃料との関係
・出力向上との関係

課題名：PWR1次冷却材の溶存水素低濃度管理
目的：PWSCCの抑制

被ばく線源挙動への影響評
価が必要期待される成果（アウトプット）PWSCC抑制により設備の信頼性向上に貢献できる。

実施にあたっての課

PWSCC抑制に関するデータを拡充するにはPWR環境を模擬した高温・高圧水で長時間試験が必要である。

実施時期・期間

第Ｉ～ＩＶ期

燃料被覆管・部材の腐食・水素化およびAOAへの影響評
実施機関：産、官（データ/評価技術の検証、規制基準の整備を目的とする場合）
実施機関・資金の出 資金の出所：産，官（データ/評価技術の検証、規制基準の整備を目的とする場
価が必要
合）
費用 大
費用：大
水化学・被ばく低減、との関係

溶存水素低濃度管理に際しては、被ばく線源挙動への影響評価が必要。

SCC環境緩和技術の開発・高度化
既存技術（水素注入・ NMCA）の改良/BWR
新技術開発/BWR

実証試験

実機適用

材料との関係－

燃料との関係

溶存水素低濃度管理に際しては、燃料被覆管・部材の腐食・水素化およびAOAへの影響評価が必要。

出力向上との関係

特になし

その他

高経年化対応/燃料高度化と連携して効率的に実施する必要がある。

実機・試験炉SCC環境評価
SCC発生・進展への水質の影響 評価（実機事象との相関含む）
累積照射量とSCC環境緩和効果の評価（IASCC）

SCC発生進展に及ぼす環境因子の影響に関するデータ整備・高精度化

中性子照射下や局所水質環境下でのIASCC特性評価
出力向上、長サイクル影響一次評価・対策検討
水化学管理指針

規格基準・規制規準への反映

予防保全工法
ガイドライン

実機展開
規制基準への反映

維持規格への反映

SCC環境評価基準

改訂/高度化

改訂/高度化

改訂/高度化

SCC環境緩和基準

改訂/高度化

改訂/高度化

改訂/高度化

炉内SCC環境に関する基盤研究
SCCメカニズム解明

SCCメカニズム研究（SCC発生･進展メカニズム解明とモデル構築）

7

まとめ
•

水化学は、構造材－燃料－水の境界で生じる諸課題の調和的に解決していくことを目指しており、その実現のためには、構造材－燃料－水化学の関連分野間での強い協力と連携が不可避– 高経年化対応課題については、ロードマップ策定や関連事業の推進を通じて連携強化（SCC環境緩和課題など）• 「維持規格」HWCき裂進展線図への適用を目指した 「HWC標準」策定に向けた活動の開始などは好事例• 今後、水化学指標に基づく材料異常の早期検出等、状態基準保全を支援できる技術課題についてブラッシュアップ– 燃料高度化課題について、将来顕在化する可能性のある課題を抽出。「課題の共有化」には至っていない。今後も、コミュニケーションを継続していき相互の理解を深めていくことが重要– FACに関しては機械学会がロードマップを策定している。水化学ロードマップにおける配管減肉環境緩和に関する課題について連携・調整 →学協会間の連携も必要– 原子力
原子力の安全研究分野間において、まだ、共有化されていない課題、気付いていな
安全研究分野間におまだ 共有化されな 課題 気付
ない課題も多くあると思われる。 → 分野間のコミュニケーションが重要•当面の被ばく線量低減目標50%を打ち出したが、「ALARA原則の徹底」だけでは、インセンテ ブを持ちにくい 長期に研究を推進していくためには 安全実績指標(PI) の水化ンティブを持ちにくい。長期に研究を推進していくためには、安全実績指標(PI)への水化学指標の導入など、インセンティブを維持し、奨励する仕組みが必要
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