監視試験片再生接合技術の実機適用性評価
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カテゴリ: 第16回
監視試験片再生接合技術の実機適用性評価
Applicability of Reconstituted Surveillance Test Piece for RPV Embrittlement Evaluation
東芝エネルギーシステムズ（株）
田中
重彰
Shigeaki TANAKAMember
東芝エネルギーシステムズ（株）
森島
康雄
Yasuo MORISHIMA
東芝エネルギーシステムズ（株）
小川
琢矢
Takuya OGAWA
東芝エネルギーシステムズ（株）
服部
泰大
Yasuhiro HATTORI
日本核燃料開発（株）
和田
将樹
Masaki WADA
東京電カホールディングス（株）
神長
貴幸
Takayuki KAMINAGA
In the application for approval of nuclear power plant operation period extension, it is required to carry out two surveillance tests separately from the conventional plan. At this time, it is necessary to compensate for the surveillance test piece by reconstitution bonding of the used test specimen, since the shortage of the test specimen is expected. Although the used test piece of the welded part is used for the reconstitution bonding of the heat affected zone (HAZ) test piece, the test piece collection position defined in JEAC4201 is different in both sample. Therefore, we comprehended the sampling position dependency of the impact characteristics in the HAZ, and evaluated the applicability of the reconstitution bonding to the actual plant.
Keywords: operation period extension, surveillance test, reconstitution bonding, Charpy impact test, RPV material
1 運転期間延長申請における監視試験要求
東日本大震災 降、原子カプラントの運転期間に関する要求が厳格化され、「核原料物質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法律」により、発電用原子炉を運転できる期間は運転 から40 とすることが規定された。その一方で、原子カ規制委員会に申請して認可を受ける ことにより、20 を超えない範囲で1 回に限り運転期間を延長できることが定められた。
運転期間延長認可を申請するための具体的な条件につ いては、「実用発電用原子炉の運転期間延長認可申請に係る運用ガイド」に示されている。運転期間延長認可申請のために、発電用原子炉施 の 化 及び 管理方針に関する書類が求められる。その中で、 化
に いては運転 40 のできる け い時期に取り出し監視試験片の試験結果が、 管理方針に
いては運転 40 降50 の な時期に実施する監視試験計画が求められている。
これに対し、 在実施されている監視試験の実施時期や回数はJEAC4201「原子炉構造材の監視試験方法」の要求に基づき、運転相当期間(EFPY)により管理されている。原子炉が80%の で運転していると想定したと
きの監視試験実施時期を表1 に示す。
表1 監視試験実施時期＊1の比六(BWR の場合） ［1]
1 回目
2 回目＊2
3 回目＊2
4 回目
回目
6 回目
従来の
監視試験
加速＊3
6EFPY
1 EFPY
寿命
末期
計画無
計画無
12EFPY
24EFPY
計画無
計画無
を想定
加速＊3
6EFPY
1 EFPY
4 目
目
寿命
末期
12EFPY
24EFPY
＊1:稼働率8 ％を想定
＊2:脆化の程度により実施時期が異なる
＊3:事業者が任意に実施
運転 の暦 で実施時期を決めている運転延長認可申請のための監視試験は運転実績で実施時期を決める監視試験実施時期と整合しない場合には、追加実施とな る可 が る。表1 中の ング部が、運転期間延長認可申請のために追加実施が求められている監視試験で る。 では震災 の長期間 により が低下して り、追加の監視試験は3 回目、 るいは2 回目に て実施を求められる可 が る。発電用原子炉には らかじめ監視試験片が装荷されているが、従来計画による実施分しか装荷されていない場合には監視試験片の不足が見込まれる。
連絡 :田中重彰、〒235-8523 横浜市磯子区新杉田町 8、東芝エネルギーシステムズ(株)原子カ機械システム 計部材料技術担当、E-mail: shigeaki.tanaka@toshiba.co.jp
2 監視試験片の再生方法と課題
監視試験片は、 対象となる発電用原子炉と同 の
照射 を受けていることが求められる。そのため、運転延長認可申請に ける追加監視試験のための試験片を補充するためには、使用済みの監視試験片を出自の原子炉に再装荷し、所定の期間が経過した に取り出して試験片の形に再加 して監視試験に することが検討されている。その方法として、使用済みの監視試験片から試験の影響を受けていない部分をインサート材として り出し、ここが試験部となるように不足分を 照射材でぎ足すことにより試験片の形に成形する再生接合と、同じく試験の影響を受けていない部分から加 可 な小の試験片を用いて試験に する小 監視試験片の2 つが考えられる。このうち再生接合についてはJEAC4201 で、表面活 化接合法による衝撃試験片又は3 点曲げ試験片の接合方法及び ー 接法による 試験片の接合方法が標準接合方法として規定されている。
1 に使用済み監視試験片を用いてシャル ー衝撃試験片の再生接合を う際の を示す。
オリジナル試験片
再生試験片
取出し
試験片再生
試験
評価
接合部
（溶接）
試験片採取位置要求を満たす必要が る。
2 1 電子ビーム溶接の適用性評価
の 接機の により、小 かつ低 の 接方法として電子ビーム 接の 用が検討されている[1, 2]。標準接合方法とは異なる再生接合を用いる際の要求事項がJEAC4201 に規定されて り、この方法に則り電子ビーム
接法による再生接合の 用 について が れている。JEAC4201 では、標準接合方法とは異なる接合法を用いる際に 下が求められる。
目視試験及び 面観 により接合部に な れや融合不良がないことを確認すること。
② 再生試験片を用いて上部棚吸収エネルギー領域で試験を い、接合部から しないことを確認すること。
③ 影響幅(WHAZ)を測定すること。
インサート部の を測定又は により求め、 回復幅(WANL)を求めること。
ここでWHAZとは が 接 の影響を受ける範囲を し、WANLとは の照射影響が 接 により回復する範囲を す。
非照射材及び照射材を用いて、これらの試験が れて り、上記の要求を満足する成果が得られている。
2 は照射材(照射量2.2X1018n/cm2)のインサート材を用いて再生接合した試験片の試験前 の外観を観 した結果で る[2]。試験前 に いて、再生接合部には見られない。
インサート材
（未変形部分を加工）
タブ材
図1 シャルピー衝撃試験片の再生手順の模式図［1]
発電用原子炉からシャル ー衝撃試験片を取り出し、
試験を た とで、塑 変形を受けた領域を取り除き、インサート材を製作する。これを発電用原子炉に再装荷し、所定の期間中 子照射を受けた に取り出して、インサート材が試験部となるようにタブ材を接合してシャ ル ー衝撃試験片の形に成形し、試験に する。この方法により不足する試験片を補うことができる。
JEAC4201 に再生接合方法として規定された表面活化接合法や ー 接法は、原子カ安全基盤機構が実施
いて選定・ されたもので るが[5]、これとは異なる接合方法を 用するためには、JEAC4201 の要求に従い妥当 を示す必要が る。また、JEAC4201 では監視試験片の採取位置を定めているが、使用済み試験片からイン サート材の採取する際には、再生接合 の試験片が監視
シャルピー衝撃試験前の外観
シャルピー衝撃試験後の外観
図2 再生接合後のシャルピー衝撃試験片外観［2]
この他、 面観 を い な融合不良がないことを確認するとともに、硬さ測定や 面観 及び の計測や によりWHAZやWANLを している。
これらにより、電子ビーム 接が再生接合に ける
JEAC4201 要求を満たすことを確認した。
2 2 熱影響部インサート材採取位置要求
JEAC4201 では、監視試験片の板厚方向採取位置が規定されている。その 容を 3 に示す。
くい。HAZ 部は母材部に いて 接時の により材料特 が変化した範囲を すが、定 的には 接 と同
の を受けるため、母材の製造時に受けたの影響が消失し、 接 に い板厚依存 を する可
が高い。そのため、HAZ 部に ける衝撃特 の採取位置依存 を示すためのデータ取得が れている。次章では、既往研究の成果を含めて母材及びHAZ 部の材料特 に及ぼす採取位置依存 を した結果を示し、
板厚(t)
溶接金属
HAZ母材
HAZ 部に ける再生接合の 用 を整理する。
3 材料特性の板厚方向採取位置依存性
3 1 供試材
試験に用いた 試材の規格及び化学成分を表2 に示す。
表2 供試材の規格と化学成分
図3 監視試験片の板厚方向採取位置要求の模式図［1]
監視試験片は母材、 接 及び 影響(HAZ)部の
3 か所から採取するが、そのうち母材とHAZ 部は板厚(t)の1/4 の位置から採取することとな ている。これに対し、
接 は表面から13mm 上 れた の位置から採取してよいことにな ている。再生接合に いても、母材、 接 、HAZ 部それぞれの試験片を再生する必要が るが、シャル ー衝撃試験片に ける 接 の配置から、 接 試験片の再生に用いるインサート材はHAZ 部試験片から採取し、HAZ 部試験片のインサート材は 接 試験片から採取することになる。この時、接 は表面から13mm 上 れた の位置から採取すればよいため、(1/4)t から採取されたHAZ 部試験片の一部をインサート材として 接 試験片として再生することに問題はないが、 接 から採取されたインサート材は(1/4)t から採取されていないため、HAZ 部の採取位置要求を満たさないことになる。そのため、HAZ 部試験片として 接 から再生接合した試験片を用いるためには、HAZ 部について採取位置による影響 無の確認を う必要が る。
一般的に、厚板材では材料特 の板厚方向分布が生じることが知られている。これは、調質のために 処理を施した の冷却速 について、板の表面 傍と 部で差が生じることが主要因と考えられる。一方 接 に関しては管理された 条件で 範囲に り す を受けることになり、厚板材のような板厚依存 は生じに
このうち、 延材2 及び 造材は既往研究[1]で用いたもので る。 延材1 は新たに材料データを取得したもので り、その結果を本報告に示す。
3 2 試験方法
材料特 を するために、シャル ー衝撃試験、 相観 及び、硬さ測定を た。シャル ー衝撃試験片の採取位置を 4 に示す。ここで板厚t は178mm で る
図4 シャルピー衝撃試験片採取位置
HAZ 部試験片及び母材部試験片は表面より13mm~ (1/2)t の範囲で 中に示す5 か所から採取した。HAZ 部試験片については、 融 から1mm れた位置が となるように試験片を採取した。 相観 及び硬さ測定試
験片はシャル ー衝撃試験片と同 の位置から採取した。シャル ー衝撃試験は採取位置ごとに複数の で12
本実施し、吸収エネルギー、延 面 及び横膨出量を測定した。また、測定結果から遷移曲 を作成し、Emax、T41J及びT68Jを した。 面 相観 は採取位置ごとに3 視野について100 倍及び400 倍で観 した。硬さ測定は荷重9.8N のビ カース試験を り し3 回実施し、採取位置ごとに母材から 接 にかけて分布を測定した。
3 3 シャルピー衝撃試験
5 に、 延材1 の母材より採取した試験片のシャル ー衝撃試験結果及び遷移曲 を示す。試験は りし3 回実施しているが、 中ではそのうち1 回分の結果をまとめて示した。
図5 圧延材1 母材のシャルピー衝撃試験結果
表面より13mm の位置で採取した試験片の遷移曲 が他と比べて低 側にシフトしている傾向が る。遷移域については、28mm で採取した試験片も 低 側にシフトしているように見える。上部棚領域では採取位置に よる明瞭な傾向はみられない。
6 に、 延材1 のHAZ 部より採取した試験片のシャル ー衝撃試験結果及び遷移曲 を示す。試験は り し3 回実施しているが、 中ではそのうち1 回分の結果をまとめて示した。
図6 圧延材1HAZ 部のシャルピー衝撃試験結果
母材と比較して、Emaxは大きく、T41J、T68J の遷移は低い傾向が る。また、母材とは異なり、遷移曲 に明確な採取位置依存 は見られない。
7 に母材について遷移曲 からEmax及び関連(T41J、T68J)を し、採取位置で整理した結果を示す。
(a) 母材部 ( 41 6 ）
母材部上部棚吸収エネルギー(Emax） 図7 母材の 及びEmaxの採取位置依存性
表面から13mm の関連 が他の部位と比べて低い傾
向が る。Emaxについては明瞭な採取位置依存 は見られない。
関連 及びEmaxの採取位置による 差を確認するために統計的な 法としてフリードマン検定を た。その結果を表3 に示す。ここでp 値が0.05 下で れば、5%水準でデータ群に 差が ることを 味する。
表3 母材 及びEmaxの有意差判定結果
選定データ群
項目
p 値
判定結果※
13mm 1
Emax
127
゜
T41J
22
?
T68J
2
?
mm 1
Emax
42
゜
T41J
43
?
T68J
1
゜
1 1
Emax
441
゜
T41J
6
゜
T68J
148
゜
:有意差あり、゜:有意差認められず
※:p 値気 で有意差ありと判定採取位置による 差 無を確認するために、範囲を変えて検定を たところ、遷移 について13mm 及び28mm は他の部位と比べて 差が る可 が示唆
された。Emaxに 差は見られない。
HAZ 部についても同 の を た。 8 にHAZ 部について遷移曲 からEmax及び関連 (T41J、T68J)を し、採取位置で整理した結果を示す。
(a) HAZ 部 ( 41 6 ）
HAZ 部上部棚吸収エネルギー(Emax） 図 HAZ 部の 及びEmaxの採取位置依存性
母材部とは異なり、関連 、Emaxともに明瞭な採取位置依存 は見られない。
採取位置による関連 及びEmaxの 差の 無を確認するために統計的な 法としてフリードマン検定を
た。その結果を表4 に示す。
表4 HAZ 部 及びEmaxの有意差判定結果
選定データ群
項目
p 値
判定結果※
13mm 1
Emax
281
゜
T41J
162
゜
T68J
94
゜
:有意差あり、゜:有意差認められず
※:p 値気 で有意差ありと判定母材とは異なり、関連 、Emaxともに、全域に たて採取位置依存 は見られないという 結果 た。
断面金相観察
100 倍及び400 倍で母材及びHAZ 部の 相観 をた、そのうち、採取位置によると思 れる差異が見られた母材の13mm 及び(1/2)t の を示す。
表面より13mm
(b) (1/2)t
図9母材の金相観察結果
表面から13mm の位置での粒径が(1/2)t と比べて細粒となる傾向が見られた。また、28mm~(3/8)t は(1/2)t に い
で た。これに対しHAZ 部では、採取位置による明瞭な差異は見られなか た。この、 の いが採取位置による関連 の 差の一因と考えられる。
硬さ測定
10 に母材から 接 にかけて測定したビ カース硬さの分布を示す。
図10 母材 HAZ 部及び溶接金属の硬さ分布
母材に いて、 融境界から3mm 程 れた位置から硬さが増加し め、 融 境界 傍で最大値を取る。接 で 硬さが低下し、 接 では位置依存が見られなくなる。 接 の硬さは母材と比較して20HV 程 高い値で る。測定した全域に た て、硬さの板厚方向採取位置による差異は見られない。
4 まとめ
低合 鋼 接 ぎ に ける材料特 の板厚方向採取
位置依存 に関する既往知見[1, 2]に沿 て、データを拡充するための試験を た。既往知見の結果と共に、関連
及びEmaxについて、採取位置による 差 無を判定した結果を、まとめて表5 及び6 に示す。
表5 母材有意差判定結果
選定データ群
項目
圧延材1
[1]
圧延材
[1]
鍛造材
13mm 1
Emax
?
゜
゜
T41J
?
゜
?
T68J
?
?
?
1 mm
1
Emax
?
゜
゜
T41J
?
゜
?
T68J
?
?
゜
1 1
Emax
゜
゜
゜
T41J
゜
゜
゜
T68J
゜
゜
゜
:有意差あり、゜:有意差認められず
表6 HAZ 部有意差判定結果
選定データ群
項目
圧 材1
[1]
圧 材2
[1]
鍛造材
13mm,... (1/2)t
Emax
゜
゜
゜
T41J
゜
゜
゜
T68J
゜
゜
゜
:有意差あり、゜:有意差認められず
母材部については、製造方法により範囲に差は るものの、い れも表面側で関連 に 差 りという判定結果とな た。一方HAZ 部についてはい れの材料に
いても全域に た て な差は見られない。
低合 鋼に いて表面側の関連 が低下する傾向を示すことが知られている。 田はA533 TYPEB Cl.1 鋼の母材に ける関連 (Tr30=T41J、Tr50=T68J)の板厚方向分布を測定し、今回の試験結果と同 、表面側で関連
が低下する傾向が見られることを示した[3]。
小野寺は厚肉材の中央と比べて表層の冷却速 が速いことを示し、これに対応して表層のシャル ー衝撃値が高いこと、板厚中心に対して表面 傍の が細粒化していることを示した[4]。表5 にまとめた母材の関連
の採取位置依存 はこれらの知見と整合するもので る。これに対し、同じ素材の 影響部では、表6 に示すよう
に採取位置依存 が確認されないという検定結果でた。これは、冷却速 の差を一因として生じた機械特の板厚方向分布が、 接時に生じる比較的 範囲の り
し により均一化されたものと推 される。
これらの結果から、再生接合により 影響部試験片を製作するためのインサート材を 接 試験片の 影響部から採取することに問題はないと考えられる。
これにより、運転期間延長申請のための追加監視試験片に再生した試験片を用いるめどがついた。
謝辞
本研究は電カ共通研究の一部として実施いたしました。東北電カ(株)、中部電カ(株)、北陸電カ(株)、中国電 カ(株)、日本原子カ発電(株)、電源 発(株)、日GE ニュークリア・エナジー(株)の関係各位に感謝のを表します。
参考文献
森島ら、“電子ビーム 接を用いて再生した衝撃試験片の監視試験への 用 ”、日本 全学会 第15 回学術講演会要旨集(2018)、p.259.
S. Sakuraya et al., "Application of Charpy specimen Reconstituted by Electron Beam Welding for the Evaluation of Irradiation embrittlement of Reactor Pressure Vessel", Short paper of the 4th International Conference on Maintenance Science and Technology: ICMST 2018, Tohoku, Japan, October 23-26, 9-2 (2018).
田、“超厚鋼の の について”、 カ技
術、第14 巻 第4 号(1976)、p.20.
小野寺、“最 の軽水炉 カ容器用超 鋼材”、 カ技術、第14 巻 第6 号(1976)、p.23.
(独)原子カ安全基盤機構 規格基準部、
JNES-SS-0601“原子炉 カ容器監視試験片の再生に関する調査報告書”(2006).