JP4568847B2 - 原子炉用黒鉛構造物の長寿命化の方法 - Google Patents
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- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉内で使用される黒鉛構造物の長寿命化に関するもので、黒鉛構造物に発生する応力を低減させ、これにより黒鉛構造物を長寿命化させることを特徴とするものである。
【０００２】
【従来技術】
原子炉内で黒鉛構造物を使用すると、中性子照射下で生じるクリープ変形（以下「クリープ変形」）により黒鉛構造物に残留応力が発生し、この残留応力が原子炉の運転にともない増加するため、黒鉛構造物を原子炉内で使う時にはいかにしてこの残留応力を低く押さえるかが課題となっていた。このため、従来は残留応力の発生を小さくするように原子炉の出口冷却材温度や原子炉の出力等を設計上制限する方法がとられるとともに、残留応力が許容値に達する前に定期的に新しい黒鉛構造物と交換する方法がとられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、黒鉛構造物の寿命を決めている残留応力を低減させ、構造物の使用期間を延長させようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
従来は、クリープ変形により黒鉛構造物に残留応力が発生し、これが原子炉の運転とともに増大していたが、本発明は、原子炉の運転モードを変えることにより構造物の温度を変化させ、残留応力を低減させようとするものである。すなわち、本発明は、原子炉の運転モードを変えることにより原子炉内の黒鉛構造物の温度を変化させ、これにより引張応力の発生している部分に反対の圧縮応力を、また圧縮応力の発生している部分には反対の引張応力を発生させ、これにより反転したクリープ変形をさせることにより黒鉛構造物に発生している残留応力を減少させ、黒鉛構造物を長寿命化させるものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
熱膨張、照射寸法変化及びクリープについて
図４に示されるような円筒状黒鉛構造物においては、図５の実線で示されるように、内表面が高温、外表面が低温である場合を考えると、一般的には温度が高い程熱膨張量が大きくなるために、内表面側は外表面側に比べると相対的に伸びた状態となり、外表面側はその反対となる。このため、円筒状構造物の力の釣り合いから、相対的に伸びた部分は圧縮され、縮んだ部分は引っ張られることとなる。このため、図５の破線で示すように、内表面の高温側には圧縮応力が、逆に外表面の低温側には引張応力が発生することとなる。
【０００６】
このように、構造物内部では相対的な変形量の大小により、引張応力（相対的な変形量が小さい部分）が生じたり圧縮応力（相対的な変形量が大きい部分）が生じたりする。
【０００７】
また、黒鉛構造物が中性子照射される場合には、熱膨張量が温度及び中性子照射量により変化すること、及び中性子照射された時に焼き締まり現象により黒鉛が収縮する挙動（照射寸法変化）を同様に考えることで、照射下の黒鉛構造物に発生する応力の挙動を知ることができる。
【０００８】
さらに、中性子照射下では、これら熱膨張と照射寸法変化により発生する応力がクリープ変形により減少する効果も考える必要がある。この時、クリープ変形により減少した応力分が残留応力として構造物内部に蓄積され、これらが原子炉の運転とともに増大する。
【０００９】
なお、クリープ変形とは、図６に示すように、材料に高温で荷重が作用した場合に、時間とともに変形が進む現象をさす。ここで、上で示したような熱応力の場合には、たとえば、図７に示されるように、内表面側の高温側は縮められていることから、クリープ変形により圧縮応力が減少するように変形し（縮むことにより相対的に伸びた状態が緩和される）、外表面ではこの逆になる。
【００１０】
これを円筒状黒鉛構造物について示したものが、図８である。すなわち、実線で示すように内外表面に温度差がある場合には、破線で示すＡ−Ａ′の熱応力が発生する。この熱応力はクリープ変形によりＢ−Ｂ′のように時間の経過とともに緩和される（これは、ある時間経過後について模式的に示したもので、無限時間クリープ変形させれば熱応力は完全に緩和されてゼロとなる）。このクリープ変形により緩和された応力（Ａ−Ｂ間の応力とＡ′−Ｂ′間の応力の差）が残留応力として構造物内に生じることとなる。
【００１１】
実際の黒鉛構造物が中性子照射を受けると、これに照射寸法変化が加わるが、熱膨張量と照射寸法変化量を加算した変形量で上記と同じ考察を行えば、照射下の構造物の応力状態の挙動が理解される。これについては次の実施例において示される。
【００１２】
【実施例】
黒鉛構造物には、構造物内の高温側と低温側の変形量の相対的な差により引張応力及び圧縮応力が発生する。引張応力は、相対的な変形量が小さく構造物全体としての力の釣り合いから伸ばされる部分に生じ、また、圧縮応力は、相対的な変形量が大きく構造物全体としての力の釣り合いから縮められる部分に発生する。
【００１３】
黒鉛構造物を原子炉内で使用した場合には、この構造物内の相対的な変形量が原子炉の運転とともに変化し、これは熱膨張量と照射により誘起される寸法変化量（以下「照射寸法変化量」）により決まる。なお、相対的な変形量が原子炉の運転とともに変わるのは、熱膨張量と照射寸法変化量が照射を受ける温度及び中性子の照射量により変化するためである。
【００１４】
図１に、原子炉用微粒等方性黒鉛に対する熱膨張量と照射寸法変化量を加算した変形量について、温度及び照射量による変化を示す。この黒鉛材料の場合には、黒鉛構造物の温度が約８００℃で変形量が極大点を示す。
【００１５】
即ち、図１は、熱膨張量と照射寸法変化量を加算した変形量の温度及び中性子照射による変化について示したものであり、これから中性子照射量が変化しても、加算した変形量は黒鉛構造物の温度が約８００℃で極大値となっていることがわかる。
【００１６】
この極大点を境として、それより低温側と高温側の運転を繰り返すことにより、引張応力の発生している部分に反対の圧縮応力を、また圧縮応力の発生している部分に反対の引張応力を発生させることができる。すなわち、８００℃より低温側の運転では黒鉛構造物の高温の部分は低温の部分より相対的な変形量が大きいため圧縮応力が生じ、反対に低温の部分は高温の部分より相対的な変形量が小さいため引張応力を生じる。そこで、８００℃より高温の運転を行うことにより、これとは逆に高温の部分では相対的な変形量が小さくなり、引張応力は、低温の部分で相対的な変形量が大きくなるため圧縮応力が発生し、この反転させた応力状態でクリープ変形させることにより、構造物に生じている残留応力を低減させることができる。
【００１７】
図２は、残留ひずみを低減させるための原子炉の運転モードの例を示したものであり、これから構造物の温度が８００℃以下の低温モード及び８００℃以上となる高温モードの運転を中性子照射量が０．５×１０21ｎ／ｃｍ2 に達する毎に繰り返した場合を示している。
【００１８】
【表１】
【００１９】
内径１０ｃｍで外径２０ｃｍの円筒状黒鉛構造物が図２に示す原子炉の低温と高温を繰り返す運転モードで運転し、表１に示す温度履歴を受けた時に構造物に発生する残留応力の評価例を図３に示す。低温モードの条件で原子炉の運転を継続した場合、中性子照射量が約１．７×１０21ｎ／ｃｍ2 に達すると構造物に発生する残留応力がこの黒鉛材料に対する応力制限値を越える。
【００２０】
すなわち、構造物の寿命がこの中性子照射量以下に制限されることとなる。一方、８００℃を境として低温、高温の運転モードで原子炉を運転した場合には、構造物に発生する残留応力がクリープ変形により低減されるため、中性子照射量が３×１０21ｎ／ｃｍ2 に達しても十分に応力制限値を下回っていることがわかる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、原子炉内で使用される黒鉛構造物の寿命を決める要因となっている残留応力を低減させることができるため、従来のように設計された構造物と比べると
（１）黒鉛構造物の交換の頻度が低下するため、交換のために原子炉を停止させる期間が短くなることから原子炉の稼動率が上昇し経済性が増すこと、
（２）また、交換頻度が低下することから、発生する個体廃棄物の量が減り、個体廃棄物の貯蔵・保管の経費等が減ること、
（３）さらに、新らたに黒鉛構造物を製作するための費用等を減少させることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱膨張量と照射寸法変化量を加算した変形量の温度及び中性子照射による変化について示した図である。
【図２】残留ひずみを低減させるための原子炉の運転モードの例を示した図である。
【図３】図２に示した運転モードに従い、表１に示す運転条件で内径１０ｃｍ、外径２０ｃｍの円筒状黒鉛構造物が原子炉内で使用された場合の構造物に発生する残留応力の評価例を示した図である。
【図４】円筒状の黒鉛構造物を示す図である。
【図５】図４の構造物の内筒の肉厚方向の温度及び応力の変化を示す図である。
【図６】クリープ変形の例を示す図である。
【図７】熱応力に対するクリープの変形例を示す図である。
【図８】熱応力のクリープ変形による緩和挙動を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉内で使用される黒鉛構造物の長寿命化に関するもので、黒鉛構造物に発生する応力を低減させ、これにより黒鉛構造物を長寿命化させることを特徴とするものである。
【０００２】
【従来技術】
原子炉内で黒鉛構造物を使用すると、中性子照射下で生じるクリープ変形（以下「クリープ変形」）により黒鉛構造物に残留応力が発生し、この残留応力が原子炉の運転にともない増加するため、黒鉛構造物を原子炉内で使う時にはいかにしてこの残留応力を低く押さえるかが課題となっていた。このため、従来は残留応力の発生を小さくするように原子炉の出口冷却材温度や原子炉の出力等を設計上制限する方法がとられるとともに、残留応力が許容値に達する前に定期的に新しい黒鉛構造物と交換する方法がとられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、黒鉛構造物の寿命を決めている残留応力を低減させ、構造物の使用期間を延長させようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
従来は、クリープ変形により黒鉛構造物に残留応力が発生し、これが原子炉の運転とともに増大していたが、本発明は、原子炉の運転モードを変えることにより構造物の温度を変化させ、残留応力を低減させようとするものである。すなわち、本発明は、原子炉の運転モードを変えることにより原子炉内の黒鉛構造物の温度を変化させ、これにより引張応力の発生している部分に反対の圧縮応力を、また圧縮応力の発生している部分には反対の引張応力を発生させ、これにより反転したクリープ変形をさせることにより黒鉛構造物に発生している残留応力を減少させ、黒鉛構造物を長寿命化させるものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
熱膨張、照射寸法変化及びクリープについて
図４に示されるような円筒状黒鉛構造物においては、図５の実線で示されるように、内表面が高温、外表面が低温である場合を考えると、一般的には温度が高い程熱膨張量が大きくなるために、内表面側は外表面側に比べると相対的に伸びた状態となり、外表面側はその反対となる。このため、円筒状構造物の力の釣り合いから、相対的に伸びた部分は圧縮され、縮んだ部分は引っ張られることとなる。このため、図５の破線で示すように、内表面の高温側には圧縮応力が、逆に外表面の低温側には引張応力が発生することとなる。
【０００６】
このように、構造物内部では相対的な変形量の大小により、引張応力（相対的な変形量が小さい部分）が生じたり圧縮応力（相対的な変形量が大きい部分）が生じたりする。
【０００７】
また、黒鉛構造物が中性子照射される場合には、熱膨張量が温度及び中性子照射量により変化すること、及び中性子照射された時に焼き締まり現象により黒鉛が収縮する挙動（照射寸法変化）を同様に考えることで、照射下の黒鉛構造物に発生する応力の挙動を知ることができる。
【０００８】
さらに、中性子照射下では、これら熱膨張と照射寸法変化により発生する応力がクリープ変形により減少する効果も考える必要がある。この時、クリープ変形により減少した応力分が残留応力として構造物内部に蓄積され、これらが原子炉の運転とともに増大する。
【０００９】
なお、クリープ変形とは、図６に示すように、材料に高温で荷重が作用した場合に、時間とともに変形が進む現象をさす。ここで、上で示したような熱応力の場合には、たとえば、図７に示されるように、内表面側の高温側は縮められていることから、クリープ変形により圧縮応力が減少するように変形し（縮むことにより相対的に伸びた状態が緩和される）、外表面ではこの逆になる。
【００１０】
これを円筒状黒鉛構造物について示したものが、図８である。すなわち、実線で示すように内外表面に温度差がある場合には、破線で示すＡ−Ａ′の熱応力が発生する。この熱応力はクリープ変形によりＢ−Ｂ′のように時間の経過とともに緩和される（これは、ある時間経過後について模式的に示したもので、無限時間クリープ変形させれば熱応力は完全に緩和されてゼロとなる）。このクリープ変形により緩和された応力（Ａ−Ｂ間の応力とＡ′−Ｂ′間の応力の差）が残留応力として構造物内に生じることとなる。
【００１１】
実際の黒鉛構造物が中性子照射を受けると、これに照射寸法変化が加わるが、熱膨張量と照射寸法変化量を加算した変形量で上記と同じ考察を行えば、照射下の構造物の応力状態の挙動が理解される。これについては次の実施例において示される。
【００１２】
【実施例】
黒鉛構造物には、構造物内の高温側と低温側の変形量の相対的な差により引張応力及び圧縮応力が発生する。引張応力は、相対的な変形量が小さく構造物全体としての力の釣り合いから伸ばされる部分に生じ、また、圧縮応力は、相対的な変形量が大きく構造物全体としての力の釣り合いから縮められる部分に発生する。
【００１３】
黒鉛構造物を原子炉内で使用した場合には、この構造物内の相対的な変形量が原子炉の運転とともに変化し、これは熱膨張量と照射により誘起される寸法変化量（以下「照射寸法変化量」）により決まる。なお、相対的な変形量が原子炉の運転とともに変わるのは、熱膨張量と照射寸法変化量が照射を受ける温度及び中性子の照射量により変化するためである。
【００１４】
図１に、原子炉用微粒等方性黒鉛に対する熱膨張量と照射寸法変化量を加算した変形量について、温度及び照射量による変化を示す。この黒鉛材料の場合には、黒鉛構造物の温度が約８００℃で変形量が極大点を示す。
【００１５】
即ち、図１は、熱膨張量と照射寸法変化量を加算した変形量の温度及び中性子照射による変化について示したものであり、これから中性子照射量が変化しても、加算した変形量は黒鉛構造物の温度が約８００℃で極大値となっていることがわかる。
【００１６】
この極大点を境として、それより低温側と高温側の運転を繰り返すことにより、引張応力の発生している部分に反対の圧縮応力を、また圧縮応力の発生している部分に反対の引張応力を発生させることができる。すなわち、８００℃より低温側の運転では黒鉛構造物の高温の部分は低温の部分より相対的な変形量が大きいため圧縮応力が生じ、反対に低温の部分は高温の部分より相対的な変形量が小さいため引張応力を生じる。そこで、８００℃より高温の運転を行うことにより、これとは逆に高温の部分では相対的な変形量が小さくなり、引張応力は、低温の部分で相対的な変形量が大きくなるため圧縮応力が発生し、この反転させた応力状態でクリープ変形させることにより、構造物に生じている残留応力を低減させることができる。
【００１７】
図２は、残留ひずみを低減させるための原子炉の運転モードの例を示したものであり、これから構造物の温度が８００℃以下の低温モード及び８００℃以上となる高温モードの運転を中性子照射量が０．５×１０21ｎ／ｃｍ2 に達する毎に繰り返した場合を示している。
【００１８】
【表１】
内径１０ｃｍで外径２０ｃｍの円筒状黒鉛構造物が図２に示す原子炉の低温と高温を繰り返す運転モードで運転し、表１に示す温度履歴を受けた時に構造物に発生する残留応力の評価例を図３に示す。低温モードの条件で原子炉の運転を継続した場合、中性子照射量が約１．７×１０21ｎ／ｃｍ2 に達すると構造物に発生する残留応力がこの黒鉛材料に対する応力制限値を越える。
【００２０】
すなわち、構造物の寿命がこの中性子照射量以下に制限されることとなる。一方、８００℃を境として低温、高温の運転モードで原子炉を運転した場合には、構造物に発生する残留応力がクリープ変形により低減されるため、中性子照射量が３×１０21ｎ／ｃｍ2 に達しても十分に応力制限値を下回っていることがわかる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、原子炉内で使用される黒鉛構造物の寿命を決める要因となっている残留応力を低減させることができるため、従来のように設計された構造物と比べると
（１）黒鉛構造物の交換の頻度が低下するため、交換のために原子炉を停止させる期間が短くなることから原子炉の稼動率が上昇し経済性が増すこと、
（２）また、交換頻度が低下することから、発生する個体廃棄物の量が減り、個体廃棄物の貯蔵・保管の経費等が減ること、
（３）さらに、新らたに黒鉛構造物を製作するための費用等を減少させることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱膨張量と照射寸法変化量を加算した変形量の温度及び中性子照射による変化について示した図である。
【図２】残留ひずみを低減させるための原子炉の運転モードの例を示した図である。
【図３】図２に示した運転モードに従い、表１に示す運転条件で内径１０ｃｍ、外径２０ｃｍの円筒状黒鉛構造物が原子炉内で使用された場合の構造物に発生する残留応力の評価例を示した図である。
【図４】円筒状の黒鉛構造物を示す図である。
【図５】図４の構造物の内筒の肉厚方向の温度及び応力の変化を示す図である。
【図６】クリープ変形の例を示す図である。
【図７】熱応力に対するクリープの変形例を示す図である。
【図８】熱応力のクリープ変形による緩和挙動を示す図である。
Claims (2)
- 原子炉用微粒等方性黒鉛からなる黒鉛構造物の温度及び中性子照射量を変化させて求めた熱膨張量と照射寸法変化量とを加算した変形量の極大点に対応する温度を極大点温度とし、
当該極大点温度よりも高温で運転する高温運転モードと、当該極大点温度よりも低温で運転する低温運転モードと、を中性子照射量が０．５×１０ ２１ ｎ／ｃｍ ２ に達する毎に切り替えて繰り返し原子炉を運転する方法。 - 原子炉用微粒等方性黒鉛からなる黒鉛構造物の内表面の温度を８００℃、外表面の温度を７００℃とする低温運転モードと、当該黒鉛構造物の内表面の温度を９００℃、外表面の温度を８００℃とする高温運転モードと、を中性子照射量が０．５×１０ ２１ ｎ／ｃｍ ２ に達する毎に切り替えて繰り返し原子炉を運転する方法。
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|---|---|---|---|
| JP2000007484A JP4568847B2 (ja) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | 原子炉用黒鉛構造物の長寿命化の方法 |
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| JP2000007484A JP4568847B2 (ja) | 2000-01-17 | 2000-01-17 | 原子炉用黒鉛構造物の長寿命化の方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001194481A JP2001194481A (ja) | 2001-07-19 |
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| JP6081182B2 (ja) | 2012-12-19 | 2017-02-15 | イビデン株式会社 | 原子炉用部材 |
| RU2563960C1 (ru) * | 2014-11-05 | 2015-09-27 | Открытое акционерное общество "Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля" (ОАО "НИКИЭТ") | Способ восстановления ресурсных характеристик реактора рбмк |
| RU2725620C1 (ru) * | 2019-12-31 | 2020-07-03 | Акционерное Общество "Ордена Ленина Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Энерготехники Имени Н.А. Доллежаля" | Способ восстановления ресурсных характеристик реактора РБМК |
| CN115570470B (zh) * | 2022-09-30 | 2023-08-15 | 赛迈科先进材料股份有限公司 | 一种降低石墨样品表面残留应力的处理方法 |
Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JPS62172293A (ja) * | 1986-01-22 | 1987-07-29 | ホホテンペラト−ル−レアクトルバウ・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクタ・ハフツンク | 黒鉛製の側部反射体 |
| JPS62172291A (ja) * | 1986-01-22 | 1987-07-29 | ホホテンペラト−ル−レアクトルバウ・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクタ・ハフツンク | 高温原子炉の長期間停止方法と装置 |
| JPH03219023A (ja) * | 1990-01-24 | 1991-09-26 | Hitachi Ltd | 金属材料製の中空構造物の耐圧強化方法及びその装置並びにその方法により作成された耐圧中空構造物並びにその耐圧中空構造物の耐圧使用方法 |
| JPH08247914A (ja) * | 1995-03-07 | 1996-09-27 | Japan Atom Energy Res Inst | 残留歪みの計測方法及びそれを利用した原子炉用黒鉛材料の残留歪みの計測方法 |
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2000
- 2000-01-17 JP JP2000007484A patent/JP4568847B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
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| JPS62172293A (ja) * | 1986-01-22 | 1987-07-29 | ホホテンペラト−ル−レアクトルバウ・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクタ・ハフツンク | 黒鉛製の側部反射体 |
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| JP2001194481A (ja) | 2001-07-19 |
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