解説記事 「海外における保守高度化の取組み」（３） 米国原子力発電所の安全系電気・計装品に関する耐環境性能検証データベース
公開日:１．はじめに
原子力発電所には多くの安全設備が備わっており、設計基準事故時に機能を発揮できるよう設計・施設されている。設計基準事故には主蒸気管破断といった高エネルギー配管の破断が含まれており、場所によっては高温、高圧、高放射線環境となる。例えば主蒸気配管破断の場合には、主蒸気管流量大や圧力低信号等により主蒸気隔離弁が自動「閉」となり漏えい蒸気は原子炉建屋内や格納容器内に閉じ込められる。この場合、漏えい蒸気が閉じ込められた室内は高温、高圧、高放射線環境となり、通常より過酷な環境となる。このような通常より過酷となる環境下でも、安全設備はその機能を発揮できるよう設計・施設されている。
この環境条件に対する設計上の考慮は、米国では連邦規則10 CFR Part 50 Appendix A一般設計指針（GDC：General Design Criteria）のNo. 4に盛り込まれ、公衆審査用として1965年に公開され、1971年に制定された。日本では米国GDCを参考として安全設計審査指針が1970年に策定され、指針4「環境条件に対する設計上の考慮」として盛り込まれた。また、1971年に制定された技術基準の（安全設備）の条文に盛り込まれた。
なお、当然ながら安全設備の機能は原子力発電所の運転中のいかなる期間（例えば、運転認可期間の末期）でも機能を発揮できるよう設計・施設されており、その検証が実施されている。
このように原子力発電所の導入初期から環境条件に対する考慮は為されてきたが、米国では様々な経緯により連邦規則10 CFR 50.49「原子力発電所の安全上重要な電気機器の耐環境性能検証」が1983年に制定され、安全上重要な電気機器が過酷な環境でも機能を発揮できることの検証（つまり、耐環境性能検証（EQ：Environmental Qualification））のためのプログラム（以下、「EQプログラム」）を策定することが要求された[1]。米国の電力会社は、連邦規則10 CFR 50.49に従いEQプログラムを策定し、効果的・効率的に実施する取組として米国産業界は耐環境性能検証データベースを整備している。
本稿では、連邦規則10 CFR 50.49の制定に至った経緯、産業界の取組である耐環境性能検証データベースについて概説する。
２．米国EQ規制及びデータベースの必要性
2.1 米国EQ規制導入まで
米国で1971年に制定されたGDCを受け、米国電気電子技術者協会（IEEE：Institute of Electrical and Electronics Engineers）は、IEEE標準を整備した。IEEE Std. 323-1971「試行版：原子力発電所のクラス1E電気機器の性能検証」では、電気機器の性能検証方法が具体化され、当該IEEE標準に付随する様々なIEEE標準が整備された。この時点では設計基準事故が発生するまでの電気機器の経年劣化は考慮されておらず、IEEE Std. 323-1974「原子力発電所のクラス1E機器の性能検証」にて検証手順の要求基準が記載されるとともに、経年劣化、マージン、記録保管に対する指針が新たに記載された。
安全関連電気機器がGDCの要求事項を満足することを確認する手法には様々なものがあった。最も古い発電所では、電気機器が非常に高い品質であるという事実を検証の根拠としていた。1971年以降の発電所では、IEEE Std. 323-1971を根拠として性能検証を実施していた。しかしながらIEEE Std. 323-1971を事業者が許認可時に参照していたにも関わらず、IEEE Std. 323-1971の適用に関するRegulatory Guide（規制ガイド）は発行されなかった。1974年7月1日以降に建設許可の安全評価報告書（SER：Safety Evaluation Report）が発行された発電所向けに、米国原子力規制員会（NRC：Nuclear Regulatory Commission）の前身である米国原子力委員会（AEC：Atomic Energy Commission）はRegulatory Guide 1.89「クラス1E機器の性能検証」を1974年に公表し、IEEE Std. 323-1974をエンドースした。
これに対して1977年、憂慮する科学者連盟（UCS：Union of Concerned Scientists）が運転中の発電所に対するEQ基準を更新するようNRCに請願した。その内容は、1974年より前に認可された発電所は役に立たない標準により認可されたものであり、少なくとも6基の発電所で機器の不備が発見されており、不備のあった機器は交換されたが残りの機器の評価やその他の発電所での評価が完了していないというものであった[2]。
NRCはこの請願を受けて、最も古い11基の発電所に対して現行認可基準から逸脱している程度を把握するため、既存の性能検証文書の適切性のレビューを行うよう要求した。事業者の回答のレビューの結果、直ちに行動を起こす必要のある重大な安全上の欠陥は確認されなかったと結論付けたが、全ての運転中の発電所の特定の電気機器の設置状況及びEQ文書の調査を行うことを推奨した。
NRCは、Circular（現在のInformation Noticeと呼ばれる一般通達文書に相当）78-08「安全関連電気設備の耐環境性能検証」を1978年に発行し、全ての運転中の発電所に対して、想定される事故条件下で機能を発揮する必要がある安全関連電気機器の調査を要求した[3]。当該Circularは、発電所に設置されている機器の品質に関する詳細な知識が欠落している事業者が存在することに対して懸念を示し、調査を要求したものである。しかしながら、事業者の調査結果と性能検証問題の解決策は十分な注意が払われたものとは言えなかった。
その結果、1979年には当該Circularは事業者の回答を要求する指示文書Bulletinに格上げされ、Bulletin 79-01「クラス1E機器の耐環境性能検証」の発行により、事業者に対して、性能検証根拠結果を示した文書の提出を要求し、性能検証要件を満たしていない機器の確認と報告を要求した[4]。事業者の回答をレビューした結果、対象機器の範囲、過酷環境の定義、裏付け文書の妥当性について文書の不備が指摘された。いくつかの事業者は要求された情報を提供せず、性能検証されていない機器が存在することも明らかになった。性能検証根拠を示すための要求図書を持たない事業者もいた。図書を持っていてもNRCへの回答に含めない事業者もいた。これにより、電気機器のEQを評価するための汎用基準が必要であることが明確になった。
NRCの原子炉部（DOR：Division of Operating Reactors）は、審査基準として「運転中の発電所におけるクラス1E電気機器の耐環境性能検証のためのガイドライン（DORガイドライン）」を1979年に発行し[5]、DORガイドラインを添付したBulletin 79-01Bにより、運転中の発電所に対してDORガイドラインを用いて安全関連電気機器のEQを評価するよう要求した[6]。
また、審査中の発電所向けに、より秩序化・体系化したEQの実施を推進するため、NUREG-0588「安全関連電気機器の耐環境性能検証に対するNRCスタッフの暫定見解」が1979年に発行された[7]。建設許可のSERが1974年7月1日より前に発行された発電所はIEEE Std. 323-1971を適用し、1974年7月1日以降にSERが発行された発電所はIEEE Std. 323-1974を適用することを示している。
このように、NRCは運転中の発電所向けにDORガイドライン、審査中の発電所向けにNUREG-0588を発行したが、UCSはIEEE Std. 323-1971を再検討し、全ての発電所がIEEE Std.323-1974に適合すべきであると主張した。
NRCによる検討では、IEEE Std. 323-1971はIEEE Std. 323-1974と比較して、電気機器が満足すべき事故条件が特定されておらず、文書の維持に関する要求や、マージン、経年劣化に関する要求が無いことが確認されていることから、IEEE Std. 323-1971単独では性能検証を判断する標準とはなり得ず、IEEE Std. 323-1974を適用した場合と同等の信頼性を提供するために、DORガイドラインとNUREG-0588を策定してきた。
1977年にUCSが問題を請願して以降、NRCスタッフは膨大な時間をかけて検討を行い、UCSと議論を重ねてきた訳であるが、問題を解決するための最終決定として、1981年にCLI-80-21（覚書及び命令）を発行した[8]。この中で、10 CFR 50 Appendix AのGDC No.4に記載されている安全関連電気機器のEQに関する基準を満たすために、全ての事業者及び申請者はDORガイドライン及びNUREG-0588を満足しなければならないと命令している。さらに、これらの問題解決に疑問の余地を残さないために、DORガイドラインの第8章「文書化」の要求事項を規則として成文化するため、追加の技術仕様を準備することをNRCスタッフに指示した。DORガイドラインの第8章「文書化」では以下が要求されている。
・「妥当であると見做されるためには、第5章（性能検証方法）に記載されたいずれかの方法による検証について、完全かつ監査可能な記録が入手可能でなければならない。これらの記録は、全ての要求事項が満たされていることを証明するためにその性能検証方法を十分詳細に記載する必要がある。設計仕様に準拠しているという単純なベンダーの証明書は、適切であると見做されるべきではない。」
当該規則の発行は1982年にNRCにより承認され、1983年に連邦規則10 CFR 50.49「安全上重要な電気機器の環境性能検証」が制定された。その内容は上記の「文書化」の内容を基本とし、EQプログラム確立、EQマスターリスト、性能検証の要件、記録の保存について記載されたものとなっている。
2.2 情報データベースの必要性
NRCは1978年、1979年にかけてCircular 78-08及びBulletin 79-01を発行して事業者にEQに関する情報を要求し、事業者の回答を求めたことは先に記載した通りであるが、事業者の回答結果をNRCスタッフがレビューし、さらにEQの確認のために実施中であった検査プログラムの結果から、EQには深刻な問題が残っていると判断された。調査した機器において、DORガイドラインが要求している性能検証判断に必要な項目を全て満足している機器はほとんどなかったのである。具体的には、試験シーケンスが供用条件を反映していない、実施された試験の文書化が不完全である、経年劣化の考慮がされていない、現場に設置された機器と試験した機器の型式・サイズ・材料が一致していない、といったものである。これらは必ずしも機器が未検証であることを意味するものでは無いが、個別評価が必要となる。さらには、EQ文書に問題が無くても、機器がEQ設計に従って設置されていない事例も発見された。
これらの問題やNRCの要求に対する事業者の対応を踏まえると、原子力産業界はEQ問題に対して必要なリソースを投入していないことは明らかであった。NRCスタッフはいくつかの事業者から性能検証に必要な情報を得たが、その情報は財産的価値を有しているものであり、他の事業とは共有されていないものであった。そのため、事業者はコストのかかる不必要な再試験を要求され、EQの判断が遅れる要因となっていた。この結果を受けてNRCは、原子力産業界による原子力機器検証情報センターの設立の可能性を早急に追求するようNRCスタッフに指示した。この情報センターは全ての関係者がEQ情報を共有することを目的とするものである[8]。
このEQ情報、即ち機器性能検証データの共有の必要性は、NRCがCircular 78-08及びBulletin79-01で事業者にEQ情報を要求し、最終的にCLI 80-21で事業者に短期間で正式なEQプログラムを実施するよう求めたことから生まれたものである。
３．耐環境性能検証データベース
3.1 EQDB（耐環境性能検証データバンク）
先述したNRCの要求に応えるため、米国電力研究所（EPRI：Electric Power Research Institute）の指導と管理のもと、耐環境性能検証データベースの実現可能性が評価され、開発、実施された。具体的にはNUS社（Curtiss-Wright社Scientech部門の前身）がEPRIの主契約者として耐環境性能検証データバンク（EQDB）の開発を行い、完成後にEQDBのライセンスを取得した。EQDBには、材料データベースを含む様々な種類のEQ情報のモジュールが含まれており、その運営は1981年からNUS社が行い、現在ではCurtiss-Wright社Scientech部門が行っている[9]。
EQDBはインターネット上でアクセス可能なデータベースであり、試験報告書、機器評価、材料の経年劣化や放射線データ、EQ関連規制文書が保管されている。EQDBは主要な技術情報のデータベースであり、米国及び世界各国の機器性能検証エンジニアが原子力発電所の重要機器の安全性を確保するために利用している。図1にEQDBの基本画面を示す。左の欄には検索タブがあり、キーワードによる図書検索が可能である。また、ケーブルの各種試験（破断伸び（EAB）試験、硬さ試験等）結果がデータベースとして登録されており、ケーブルの製造者や材料で絞り込むことが可能である。性能検証済みの機器データもデータベースとして登録されており、機器の種類、製造者、型式、事業者名、設置発電所名で絞り込むことが可能である。これにより、自分の発電所と同様の機器をどの発電所が保有しているかを確認できる。各機器の材料の活性化エネルギーもデータベース化されており、商標名、製造者で絞り込むことが可能である。
膨大なデータが登録されているEQDBは、主に以下の用途で利用されている。
・故障の根本原因及び故障確率を評価するために使用する材料特性及び故障メカニズムの決定
・産業界共通の問題を回避するために検査指摘事項や産業界の経験を共有
・EQプログラムに影響を与える規制活動の把握
・性能検証された取替用機器の検索
・機器の検証寿命の延長
・主要な研究機関の材料試験報告書のレビュー
EQDB以外にも、いくつかの民間企業や研究機関が、EQ活動を支援するために独自に材料データベースを開発し販売していたが、これら民間企業が収集した材料データは最終的にはEQDBに取り込まれている[10]。
3.2 System1000
EQDBには膨大なEQ情報が登録されており、検索の利便性が高いという利点はあるが、EQDB自体は原子力品質保証プログラムの元で開発又は保守されているものではなく、計算モジュールが無かった。これらを補うものとして、1985年にDigital Engineering社がSystem1000を開発した。その後、多くの企業買収や分社化を経て、System1000はRCM Technologies社が管理していたが、2014年にCurtiss-Wright社が購入し、以降はScientech部門の品質保証プログラムのもとで管理されている。
即ちSystem1000は、連邦規則10 CFR Part 50 Appendix B（原子力発電所の品質保証基準）に準拠したアレニウス計算及び材料経年劣化・放射線データベースである。System1000はNRCにより認知されているものであり、EQDBを補うものとして利用されている。System1000は何千もの材料の活性化エネルギーと放射線のデータを提供するプログラムであり、機器の寿命を計算するために独立して検証されたアレニウス・アルゴリズムを備えている。図2にSystem1000の画面例（検証寿命計算）を示す。
System1000には、通常運転時の環境温度分布や事故・試験プロファイルを保存することができ、計算の都度データを再入力する必要はない。例えば、通常運転時の環境温度分布が変わった場合はその変化した温度のみ入力することで、検証寿命の再計算ができる。
図2 System1000の画面例（検証寿命計算）
System1000に登録されている材料データは検証済みのものであり、根拠となる文書はダウンロード及び印刷ができる。System1000のアルゴリズムは既に完成したものであり、必要なデータに容易にアクセスでき、調査や計算にかかる時間を節約できる。また、アルゴリズムは検証されたものであるため、Excelなどの他のプログラムで計算を複製したり、再検証のための手作業による計算を行ったりする必要はない[11]。
3.3 EQMS（耐環境性能検証管理システム）
事業者はEQの作業をそれぞれ独自に実施しており、他の事業者と重複する作業が発生していた。EQMSは、連邦規則10 CFR Appendix Bに準拠し、発電所全体のEQプログラムを文書化・維持管理するための標準的な電子プラットフォームであり、メンバーである他の事業者と評価を共有することができる。標準的性能検証評価（GQE：Generic Qualification Evaluation）は、性能検証をする機器を特定し、試験結果を評価するために用いられるものであるが、GQEを共有することにより、類似した試験や評価に係る費用を削減することができる。図3にGQEのテンプレート画面を示す。
図3 EQSMの画面例（GQEテンプレート）
GQE以外に、特定の要求事項に対応するプラント固有の評価を行うための方法であるプラント性能検証評価（PQE：Plant Qualification Evaluation）を登録することもできる。また、発電所全体のEQ機器を定義して機器性能検証根拠を追跡するために必要な要素をまとめたEQマスターリストを標準プラットフォームで管理することができる。EQマスターリストと各部屋の環境状況を保存して最新の状態に保つことができ、設計や環境の変化に迅速かつ容易に対応することができる。電子プラットフォームであるため、印刷物で維持管理する必要はなく、変更作業は数時間で完了させることができる。また、影響を受ける機器は一目で確認することができる[12]。
４．まとめと考察
原子力発電所の運転期間中に設計基準事故が発生して過酷な環境となった場合において、安全設備はその機能を確実に果たすことを設計指針で要求している点は、日米ともに同じである。米国では、UCSの請願をきっかけとしてNRCが事業者の状況を調査した結果、性能検証されていない機器が発見されたり、文書化が適切に実施されていなかったりした事例があり、設計指針の要求事項を満たしていることを示すために、EQプログラム確立、EQマスターリスト、性能検証の要件、記録の保存が連邦規則10 CFR 50.49「安全上重要な電気機器の環境性能検証」として規則化された。また、NRCのEQ情報要求に対する事業者の対応が遅かった理由の一つとして財産的価値の観点から事業者間で情報が共有されていなかったことがあったため、NRCは原子力産業界による原子力機器検証情報センターの設立の可能性を追求するよう指示した。これをきっかけとして、EPRIの指導・管理のもと、Curtiss-Wright社Scientech部門（旧NUS社）がEQデータベースとしてEQDBを開発し、試験報告書、機器評価、材料の経年劣化や放射線データ、EQ関連規制文書が事業者間で共有されている。さらにはEQDBを補うものとしてSystem1000が開発され、NRCの品質保証基準に準拠した検証寿命を計算するデータベースとして使用されている。さらには、EQプログラムを効率的に文書化・維持管理するためにEQMSが開発され、メンバー間で性能検証評価の方法を共有して、類似した試験や評価に係る費用を削減している。
日本では、耐環境性能に関する検証手法を明確化することを目的として、JEAG4623「原子力発電所の安全系電気・計装品の耐環境性能の検証に関する指針」が2008年に制定され、2018年に改定されており、産業界が自主的に検証上考慮すべき事項及び推奨される方法を示している[13]。日本と米国では事業者の数や具体的要求事項が異なり、産業界の自主的な取組に対する姿勢も異なることから、必ずしも産業界共通のEQデータベースを確立する必要性があるとは言えないが、本解説記事が今後その必要性が出てきた際の参考になれば幸いである。
参考文献
[1] Title 10, Code of Federal Regulations Part 50, 50.49 "Environmental qualification of electric equipment important to safety for nuclear power plants"
[2] Union of Concerned Scientists, "Petition for Emergency and Remedial Relief", November 4, 1977.
[3] IE Circular 78-08, "Environmental Qualification of Safety-Related Electrical Equipment at Nuclear Power Plants", May 31, 1978.
[4] Bulletin 79-01, "Environmental Qualification of Class IE Equipment", February 8, 1979.
[5] NRC Division of Operating Reactors(DOR), "Guidelines for Evaluating Qualification of Class IE Electrical Equipment in Operating Reactors", November 13, 1979.
[6] Bulletin 79-01B, "Environmental Qualification of Class IE Equipment", January 14, 1980.
[7] NUREG-0588, "Interim Staff Position on Environmental Qualification of Safety-Related Electrical Equipment", December 1979.
[8] CLI-80-21, "MEMORANDUM AND ORDER", May 27, 1980.
[9] EPRI 1021067, "Plant Support Engineering: Nuclear Power Plant Equipment Qualification Reference Manual, Revision 1", September 16, 2010.
[10] Equipment Qualification Databank (EQDB) website administered by Curtiss-Wright.
[11] System1000 (Materials Aging and Radiation Effects Library) website administered by Curtiss-Wright.
[12] EQMS (Environmental Qualification Management System) website administered by Curtiss-Wright.
[13] JEAG4623-2018 "原子力発電所の安全系電気・計装品の耐環境性能の検証に関する指針」, November 6, 2018.
（2023年2月10日）