資料11-5
福島第一原発の機器の健全性評価に関する基盤的研究

ver. 2

機器や状況に対して、横断的な課題の一つ・FRC提案、研究開発課題の議論に向けて

福島工業高等専門学校
實川資朗
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燃料の溶解に伴う圧力容器の破損の結果、格納容器が放射性物質の主な障壁となっている。格納容器の健全性、及びこれに影響を与え得る機器(例；圧力容器及びペデスタル)の健全性は、廃炉作業の安全性に重要である。
1Fの廃炉工程においては、ガンマ線レベルが高いため機器が受けた損傷の評価が困難であり、これが機器の部材の強度及び欠陥の評価を高めることを難しくしてる。このため、放射性物質の障壁の健全性を長期間維持するためには(廃炉には40年以上を要する)、機器への力学的負荷に関する余裕を大きくする必要がある。
一方、廃炉作業の効率化、放射性ダストの飛散低減(セメント及びジオポリマーによる燃料デブリの固化)及び放射線遮蔽(水を満たすことが効果的)のために、力学的負荷に関する余裕を切り詰めることが期待されている； 余裕の低減は、機器がもはやエネルギー生産に用いられない点で合理性がある。このように、互いに矛盾する要求を緩和するための技術開発は重要と考えられる。
少なくとも、遠隔操作による部材の強度及び欠陥の検出能力の向上は、サンプリ
ング法開発と同様に有用であろう。損傷を受けた機器(エネルギー生産に使われない)の健全性を合理的に評価する手法の開発は、これに寄与する基盤的な技術開発と同様に有用と考える。特徴的な技術の開発について検討する(R&Dが進められている事故過程解析及び大型の遠隔操作機器開発は含めない)。
[複数の多様な状況の機器に関する横断的な課題られる]

損傷機器の強度への取組みは限2

鍵となる技術の一つは、現在の構造設計概念の対象外である、(i)材料の延性が限られる場合の破壊の防止法である。
これは、使用済み燃料に加える力の範囲の判断に利用可能と考えられる。損傷を受けた使用済み燃料の破損の防止も範囲に入れる。
以下の項目も重要な研究開発項目と考える。
(ii)遠隔操作による強度及び欠陥の評価の技術
燃料デブリ取り出し法にも関係する、サンプリング法も含む。これは燃料デブリ切削に伴うダストの基礎研究にも有用と思われる。
(iii)ホットラボ用の微小試験片による材料評価法
破壊防止のための、破壊モードに基づく、(iv)亀裂伝播を軽減するための監視法(破壊及び変形検出)
また、損傷機構に対応する、(v)補強法3構造物の損傷と損傷状態の評価(損傷が大きいと推測される構造物)(1)圧力容器・損傷/変化: 加熱*による材料特性変化、機械的負荷**による変形・例(推定): 底部及びスカート部の接合ボルトの加熱による材料特性変化(2)ペデスタル
・損傷/変化: 加熱*による材料特性変化、水による特性回復、機械的負荷**による変形・例(推定): 圧力容器スタッドボルト、コンクリートの加熱による材料特性変化(圧力容器底部燃料及び床上の燃料による数週間以上の加熱の可能性)、水中での特性回復(3)格納容器・損傷/変化: 加熱*による材料特性変化、機械的負荷**による変形・例(推定): 加熱及び急速冷却による鋼材の軟化及び脆化、腐食の作用を含む欠陥の形成(4)使用済み燃料(使用済み燃料プール内)・損傷/変化: 照射損傷(水素化物生成含む)による材料特性変化、機械的負荷**による変形・例(推定): 水素化物生成を含む事故前の照射損傷による硬化と脆化及び事故時のコンクリー
ト片の衝突による過大な変形や割れ発生*加熱：溶融燃料からの輻射及び接触/伝熱による過度な温度上昇、冷却水による急冷**機械的負荷：地震動、破片の衝突(水素爆発時)、事故時の熱応力及び廃炉過程での荷重(過度な変形及び割れ発生をもたらす)4

損傷を受けた構造物の健全性推定の方法と強度の考え方(課題の提案)

・溶融燃料による加熱
・水素爆発などによる荷重・廃炉工事に伴う荷重事故時等の損傷

損傷を受けたコンポーネント
・圧力容器(炉内機器)
・ペデスタル
・格納容器
・使用済み燃料(プール内)

効率的な
廃炉作業

廃止の過程(非原子力施設)
損傷状態評価→(欠陥計測、サンプリング検査、実験/数値シミュレーション)

荷重分布評価→(廃止作業中負荷推定含む)

補修/補強(必要があれば)

→

廃止作業

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損傷を受けた構造物の健全性推定の方法と強度の考え方(課題の提案)

・溶融燃料による加熱
・水素爆発などによる荷重・廃炉工事に伴う荷重事故時等の損傷

損傷を受けたコンポーネント
・圧力容器(炉内機器)・ペデスタル
・格納容器
・使用済み燃料(プール内)

効率的な廃炉作業

・安全性確保のため、高い信頼性での評価が必要になる(長期間の作業の可能性)
しかし、・損傷の検出や影響評価が難しい(遠隔での判断などの能力向上を要する)

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損傷を受けた構造物の健全性推定の方法と強度の考え方(課題の提案)

事故時等の損傷

機械的、熱的負荷による欠陥の発生
材料特性変化

損傷を受けたコンポーネント
・圧力容器(炉内機器)
・ペデスタル
・格納容器
・使用済み燃料(プール内)許容される負荷が不明

効率的な
廃炉作業

・安全性確保のため、高い信頼性での評価が必要になる (しかし、困難)・損傷の検出や影響評価が難しい(遠隔での判断などの能力向上を要する)
さらに、・厳しい要求もある； 効率的な作業のため、なるべく限界まで負荷を加えたい(実際の強度 --- エネルギー生産には使わないので、許容される変形量を上げたい)7

損傷を受けた構造物の健全性推定の方法と強度の考え方(課題の提案)
損傷が不明確損傷の検査及び推定が困難
新たな損傷の推定方法
事故時等の損傷

機械的、熱的負荷による欠陥の発生
材料特性変化

エネルギー生産に使わない →限界近くまで負荷を加えたい
損傷を受けたコンポーネント
・圧力容器(炉内機器)
・ペデスタル
・格納容器
・使用済み燃料(プール内)

新たな強度/健全性の考え方
許容される
負荷が不明

効率的な
廃炉作業

・安全性確保のため、高い信頼性での評価が必要になる (しかし、困難)・損傷の検出や影響評価が難しい(遠隔での判断などの能力向上を要する)
・厳しい要求もある； 効率的な作業のため、なるべく限界まで負荷を加えたい
結局、(多くの妥協が必要になろうが、少しでもこの方向に進むべく)・新たな強度/健全性の考え方、新たな損傷(欠陥、材料特性変化)の推定法が必要
・安全確保のため、作業の監視方法(想定される破壊に適合が必要)、遠隔補修方法

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9

損傷を受けた構造物の健全性推定の方法と強度の考え方(課題の提案)
損傷が不明確損傷の検査及び推定が困難
新たな損傷の推定方法
事故時等の損傷

機械的、熱的負荷による欠陥の発生
材料特性変化エネルギー生産に使わない →限界近くまで負荷を加えたい
損傷を受けたコンポーネント
・圧力容器(炉内機器)・ペデスタル・格納容器
・使用済み燃料(プール内)(i)欠陥検査方法(遠隔などによる)衝撃+振動測定(レーザー+耐放射線機器)
色彩などによる劣化診断(ii)材料特性検査方法
微量サンプリングと微小試験片試験技術

新たな強度/健全性の考え方許容される負荷が不明

効率的な廃炉作業(iii)合理的な強度基準
低延性/脆性材料の機器の破壊条件(iv)破壊防止の監視技術(モニタリング)
破壊機構に対応した監視(AE, 放射線)(v)補修/材質回復の方法

これらを内容とする提案(基盤的研究)
特徴: 幅広く多様な材料特性変化への対応

1011R&D項目

遠隔操作法 1/2 --- 遠隔操作によるサンプリング法、評価手法の開発(a)観察(割れや変形の検出)、サンプリングと分析(小試料からの強度特性評価; 燃料デブリの評価とも重なる)及び打撃による強度低下/欠陥評価のための遠隔操作法(b)ホットラボでの小型試料の評価法
評価を要する項目(重要評価項目)(1)圧力容器・底部及びスカート部の接合ボルトのサンプリングと材料特性評価、欠陥評価(2)ペデスタル・圧力容器スタッドボルト及びコンクリートのサンプリングと特性評価、打撃試験、欠陥評価(3)格納容器
・加熱/冷却による鋼材の軟化及び脆化評価、欠陥評価(腐食の作用を含む)(4)使用済み燃料(使用済み燃料プール内)
・コンクリート片衝突による変形及び割れ(欠陥)評価、水素化物+照射による硬化/脆化の評価
遠隔操作による観察技術開発は、他のプログラムでも進められている。遠隔操作によるサンプリング方法、打撃法などによる検査方法などの開発例は限られる(耐放射線性の高い機器が必要)。他の方法の開発も検討(弾性率、色彩による温度履歴推定方法など)。サンプルの代表性確保の考慮を要す。表面酸化物と共に、内部からのサンプリングも必要(特に、小試料)。
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R&D項目

遠隔操作法 2/2 --- ホットラボ用の微小試験片試験技術

サンプリングした試料のホットラボでの遠隔操作試験法の開発が必要、特に、これまでの実績から、サンプリング試料の採取箇所や量が限られる場合への対応も重要(例：量が限られる
場合には、微細組織から強度などを推定する --- 微小試験片試験法の適用)(c ) ホットラボ用の微小試験片技術 (大きい試料であっても試料作製法、試験法開発を要す)(1)圧力容器・試験片寸法が限られる場合の靭性測定法(試験片作製法を含む)、電子顕微鏡試料作製法、燃料との反応生成物の分析法(組成、相及び組織)(2)ペデスタル・コンクリート及び燃料との反応生成物の分析法(強度、組成、相及び組織)、圧力容器スタッ
ドボルトは圧力容器と同様(3)格納容器 --- 圧力容器と同様(4)使用済み燃料(使用済み燃料プール内)・遠隔操作による観察で取得する項目を強化 (スケジュールが厳しいため)
実験及び計算によるシミュレーションを行い、材料特性の変化範囲、微細組織と強度の相関を把握する。遠隔操作による観察結果の強化 (例 打撃及び色彩評価と小型試料の結果の比較);
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サンプリング箇所選定の基盤技術。

R&D項目強度基準 --- 低マージン化の検討を含む(a)エネルギー生産に使われない機器なので、マージンの小さい許容応力の設定が望まれているが、欠陥の見落し、サンプリングが不可能な場合にマージンを大きくする必要がある。
(b)照射硬化材への許容応力の考え方の検討を行ったことがあるが、この方法は、使用済み燃料及び作業中の負荷により塑性変形が生じる場合に適用できるであろう(引張強及び伸び値を使わず、絞り値をパラメータとした)。
(c)コンクリートへの負荷は、圧縮強度で定められているが、亀裂進展(破壊力学)、鉄筋の効果を含む引張荷重下での挙動も範囲とすることで、合理化の可能性を探る。
(1)圧力容器・事故が導入した熱影響、欠陥による強度分布の扱い方、及びマージンの削減可能性(2)ペデスタル・圧力容器スタッドボルトの強度低下の扱い方、及びコンクリートの強度の合理的取り扱い(3)格納容器・圧力容器と同様、なお、作業中の負荷増大の許容範囲の検討も有用(少しの塑性変形で破壊靭性値が低下する傾向)(4)使用済み燃料(使用済み燃料プール内)・照射硬化+水素脆化+衝撃による変形の扱い、照射硬化+衝撃による変形への開発した手法の適用性の実証的評価
14R&D項目

作業の監視方法及び補修方法(a)熱影響、機械的負荷(欠陥影響を含む)の評価での不明確さへの対処方法として、破損の機構に適合した監視方法(亀裂拡大などの防止)の開発が必要(b)補修により効果的に問題が軽減される可能性と方法も重要である(1)圧力容器・熱影響による強度低下領域及び欠陥部分の補修、作業中の変形の監視(耐放射線性の高い機器を要する)(2)ペデスタル
・作業中の変形やAEの監視(耐放射線性の高い機器を要する)、水による養生、遠隔操作によるセメントミルク注入による割れ補修方法の検討(3)格納容器
・圧力容器と同様に、熱影響及び欠陥部分の補修、作業中の変形の監視(耐放射線性の高い機器を要する)(4)使用済み燃料(使用済み燃料プール内)・照射硬化+水素脆化+衝撃による変形領域での破損の拡大を抑制するための作業中の変形検出、AE発生及びRI放出の監視(耐放射線性の高い機器を要する)

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構造物の受けた損傷と損傷状態評価
補 (「表 損傷構造物の状況と課題概要」の要素)(1)圧力容器
加熱による材料特性変化、機械的負荷による変形底部および、スカート部の接合ボルト、ペデスタルのスタッドボルト材料の加熱による特性変化(2)ペデスタル加熱による材料特性変化、水による特性回復、機械的負荷による変形
圧力容器を停めるスタッドボルト、鉄筋コンクリート部分の材料の加熱による特性変化(圧力容器底部の燃料が長期間の加熱をもたらした可能性)、水中での特性回復、機械的な負荷による割れ発生(3)格納容器加熱による材料特性変化、機械的負荷による変形
溶融燃料の加熱及び注水による急速冷却による鋼材の軟化及び脆化、腐食の作用を含む欠陥の形成(4)使用済み燃料(使用済み燃料プール内)
照射損傷(腐食による水素化物生成を含む)による材料特性変化、機械的負荷による変形
水素化物生成による脆化を含む事故前の照射損傷による硬化と脆化及び事故時のコンクリート片の衝突
・加熱：溶融燃料からの輻射及び接触/伝熱による過度な温度上昇、冷却水による急冷・機械的負荷：地震動、破片の衝突(水素爆発時)、事故時加熱による熱応力及び廃炉過程での負荷による、変形及び割れ発生
・照射損傷及び水素脆化：事故前に生じている加熱、機械的荷重による損傷など
材料特性変化、欠陥発生
もはやエネルギー生産に使われないことを考慮し、既存の強度の考え方よりも低マージン化?
作業中の破損の検出(検査、監視) --- 材料特性変化などから推測する破壊様式に合わせた破損の検出/監視方法の提案

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構造物の受けた損傷の特徴と研究開発の項目性」の要素1/2)

補 (「表構造と材料の強度評価の手法と開発の必要(1)圧力容器
溶融燃料による加熱(輻射、接触/伝熱)、デブリ取り出し時の機械荷重(地震動など)
特に、底部および、スカート部の接合ボルト、ペデスタルのスタッドボルトの加熱による軟化/脆化(2)ペデスタル
溶融燃料による加熱(輻射、接触/伝熱)、デブリ取り出し時の機械荷重(地震動など)
圧力容器のスタッドボルトの加熱による軟化/脆化、機械的な負荷(デブリ取出し時の機械的負荷、地震動など)の影響、さらに底部に堆積した溶融燃料からの伝熱による強度低下が大きいことが推定される(3)格納容器
溶融燃料による加熱(輻射、接触/伝熱)、デブリ取り出し時の機械荷重(地震動など)
溶融燃料の加熱、急速冷却などによる鋼材の軟化/脆化、さらに、腐食の作用を含む欠陥の形成(4)使用済み燃料(使用済み燃料プール内)
照射損傷による材料特性変化、ガレキの衝突による変形

17基本的な対処のフロー及び関与できそうな領域/項目
発の必要性」の要素2/2)

補 (「表構造と材料の強度評価の手法と開・作業のフロー概要(i)材料特性+欠陥検出 → (ii)機械的負荷の分布 → (iii)許容される負荷と比較し、破損条件を推定する(iv)取り出し工事 → (v)損傷管理のための監視(検査)赤字; 関与できそうな領域/項目→・損傷及び作業上の要請についての例(i)加熱、荷重による損傷(材料特性変化、欠陥発生)(ii)低マージン化した強度の考え方への要請 ?
・研究開発の課題領域例(i)損傷機構の推定(加熱、変形)(ii)損傷状態の検出と推定(観察/測定による欠陥や損傷箇所の検出、加熱/塑性変形/照射損傷を受けた材料の強度特性、マクロ欠陥の分布、構造の変形)(iii)強度基準の検討(強度分布発生への対応、マージン削減)、限界荷重推定(荷重の分布推定、破壊防止)(iv)補修/補強(遠隔操作)(v)破壊監視(遠隔操作、RI放出検出、RI飛散防止)
・提案の特徴(上記に付加)(i)材料特性(小サンプル、推定)+欠陥検出(遠隔操作への適合性) → (ii)機械的負荷の分布評価 → (iii)破損防止できる負荷範囲の設定(合理的にマージン低減?) → (iv)取り出し工事(遠隔操作、RIの飛散防止) → (v)損傷管理のための監視(破壊様式に合わせた破損の検出/監視方法、遠隔操作への適合性)

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研究開発項目の提案例(1)「もはやエネルギー生産には使わない構造物が持つべき健全性」
通常の設計基準よりもどれほどゆるくできるかについての基礎的知見を取得し、強度の基準につながる指摘を行う(照射+機械損傷後の破壊の考え方、鉄筋コンクリートに引張力を許容する場合や破壊力学的評価を導入する場合での余裕の拡大の可能性。(照射、塑性歪み導入を除き、経験が限られる領域)(2)「損傷の結果生じる、 材料強度特性変化範囲(熱履歴、照射効果などの関数として)」
熱履歴や機械的損傷などを与えた材料の強度を評価する。コンクリートについては、破壊靭性評価、損傷を受けた鉄筋入りコンクリートの引張荷重下での強度評価も含める。炉内機器や使用済み燃料集合体を想定し、照射による損傷(加熱、変形が重畳された場合)も範囲に含める。 これまでの実績の延長範囲(3)「損傷の結果生じた、部材の特性劣化、微細な欠陥(画像で検出が困難な)の遠隔操作による評価手法」
レーザーによる衝撃と耐放射線性の高いセンサーによる動的弾性挙動評価による微細な欠陥などの評価、コンクリートの色彩変化による熱履歴と強度劣化の推定など。 (これまでの実績の延長範囲)(4)「微小なサンプルからの評価法」
これまでの実績からは、電子顕微鏡試料程度の微小な試料しかサンプリングできない可能性がある。微小な試料から、微細組織、硬さ、圧縮荷重による靭性評価などの強度や被削性を評価する手法を提案する。
ホットラボでの試験法の開発である。 (これまでの実績の延長範囲)(5)「損傷による特性変化をもたらす微視的機構」
上記の項目、特に(4)の基盤形成のための材料特性変化機構のうち、特に、微視的状態と材料特性変化の関係を評価する。例えば、鋼材における照射損傷+熱履歴による微細組織変化と強度変化の相関や、コンクリートのマイクロケミストリー変化と強度特性変化などを内容とする。 (これまでの実績の延長範囲)(6)「作業時の監視方法」
破損などに伴い漏洩する、気体などの放射性物質の検出、アコースティックエミッション、構造体の動的19
弾性挙動の連続測定など。 (新たな項目だが、原理的には目処がある項目あり)