博 士 （ 工 学 ） 宮 野 廣
学 位 論 文 題 名
原子炉系機器の流れによる不適合発生とその恒久対策に 関する研究
学位論文内容の要旨
2011年3月ll日 、 福 島 第 一 原 子 力 発 電 所 に お い て は 、 炉 心 を 冷 却 す る と い う 重 要 な 機 能 を 失 う こ と に な り、 放 射 能 の 閉じ 込 め 機 能 の 喪失 と い う 深 刻を 事 態 に 陥 った 。こ の事故 につい ての分 析 や 、 原 子 力 安全 の 確 保 の ため に 、 こ れ か らや ら を け れ ばを ら を い 対 策は 今後 の検討 にゆだ ねるが 、 他 の 原 子 力 発電 所 の 運 転 を継 続 す る た め には 、 原 子 力 発電 シ ス テ ム とし ての 安全性 ・信頼 性を向 上 さ せ る た ゆ ま ぬ 努 カ が 必 要 で あ る 。1966年 の 日本 原 子 力 発 電東 海 発 電 所 の 稼働 以 来 、 約700件 と 多 く の 不 適 合を 克 服 し て きた 。 不 適 合 の 件数 は 、 年 間 約1件 ／ 基 を 越え る 不 適 合 発生 件 数 は 、40年 を 経 た 現 在 では 、 年 間 約0.2件 ／ 基 程度 に ま で 減 少し て き て い る。
を か で も 、 沸 騰 水 型原 子 炉(BWR)の 再 循環 ポ ン プ は 、（1） 圧 力 脈動 に 起 因 す る 溶接 部 の 疲 労 き 裂 、(2)主 軸 の 熱 疲 労 が 発 生 し た 。 更 に 、 改 良 型沸 騰 水 型 原 子 炉(ABWR)に お い て は、 応 力 腐 食 割 れ が 多 発 し た 再 循 環 系 配管 を 削 除 す る とい う 抜 本 的 を対 策 の た め に、 炉 内 内 蔵 型の 再 循 環 ポ ン プ
（ イ ン タ ー ナル ポ ン プ ） を採 用 し た が 、 初号 機 の 試運転 中に(3)主軸 が振 れ回る ホワー ル現象 が発 生 し た 。
沸 騰 水 型原 子 炉 に お いて は 再 循 環 ポン プ は 炉 心 の出 力 制 御 や 燃 料の 冷 却に直 接関係 してお り、 こ の シ ス テ ム の安 全 性 ・ 信 頼性 確 保 は 重 要 であ る 。 そ こ で、 本 研 究 で は、 これ らの重 要な不 適合事 象 を 対 象 と し て、 以 下 の3つの 現 象 の メ カニ ズ ム を 解 明 とそ の 評 価 法 の確 立 、 恒 久 対策 を 得 る こと を 目 的 と し て 研究 を 実 施 し た。
（ 1） ポ ン プ の 羽 根 車 の 回 転 に よ り 発 生 す る 圧 力 脈 動 の 評 価 法 と 対 応 策 (2)ポ ン プ の 回 転 軸 の 軸 封 部 間 隙 で の 高 温 低 温 水 の 混 合 に よ る 熱 疲 労 の 評 価 と 恒 久 対 策 (3)縦 型 ポ ン プ の不 安 定 解 析 と適 正 を 軸 受 構 造の 評 価
第1章「 緒 論 」 で は 、研 究 の 背 景 、研 究 目 的 、 従来 の 研 究 の 概要 と 本 研 究 の 位置 付 け と 研 究方 針 に つ い て 述 べた 。
第2章 で は 再 循 環 ポ ン プ の 羽 根 車 の 回 転 に よ り発 生 す る 、 ポ ンプ の 脈 動 に よる 構 造 励 振 （共 振 現 象 ） の 評 価法 と 構 造 健 全性 の 確 保 の た めの 方 策 の 考 え方 を 示 し た 。こ の事 象は、 ポンプ の羽根 車 の ー 部 を 損 傷さ せ 、 ポ ン プを 停止さ せるば かりで は′ よく、 その破 片を炉 内に 流入さ せた。 このよ う を 事 象 を 再 び起 こ さ な い ため に 、 ． ポ ン プの 羽 根 車 の 回転 に 伴 っ て 発生 する 圧力脈 動を回 避する た め 、 ポ ン プ の羽 根 車 の 周 囲に 圧 力 脈 動 の 周波 数 に 一 致 する 構 造 を 置 かな いこ と、ま た、た とえ共 振
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し て も 構 造 健 全 性 が 十 分 に 保 て る も の と す る こ と 、 を ど の 評 価 法 と 恒 久 対 策 を 得 た 。 第3章 で は 、ポ ン プ の 回 転軸 の 軸 封 部 間隙 で の 高 温 低温 の ニ 温 度 水 の混 合 に よ る 熱疲 労 の 評 価 と 恒 久 対 応 策を 研 究 し た 。 ポン プ の 軸 封 部の 構 造 の よ うを 微 少 間 隙 構造 部 で の 温度 差の大 きをニ 流体 の 混 合 で は、 構 造 材 料 表 面に 温 度 変 動 によ る 熱 疲 労 が発 生 す る 。 そこ で 、 循 環す る熱水 と冷却 用の パ ー ジ 水 の混 合 部 近 傍 に 発生 す る 熱 疲 労の 発 生 予 測 法を 導 出 し 、 これ を 基 に 恒久 策とし てケー シン グ カ バ ー 内に サ ー マ ル バ リア （ 円 筒 障 壁） を 取 り 付 け、 こ の サ ー マル バ リ ア にパ ージ水 を徐々 に加 熱 し て 温 度差 を 低 減 す る 多数 の キ リ 孔 をあ け た 恒 久 対策 構 造 を 構 築し 、 流 動 解析 と実規 模大の 試験 を 実 施 し て 効 果 を 確 認 の 上 、国 内 外 の 実 機 に適 用 し た 。 温度 差 は サ ー マル バ リ ア 出 口で 約12℃ の 温 度 差 ま で低 減 で き 、 そ の後 、 不 適 合 は報 告 さ れ て いを い 。
第4章 で は 、縦 型 ポ ン プ の流 体 軸 受 け の不 安 定 性 問 題で あ る 。 こ の 縦型 ポ ン プ で は、 吐 出 流 れ が 直 接 高 速 流で 炉 内 に 流 れ 込む こ と か ら 、炉 内 構 造 の 流動 振 動 に 対 する 構 造 健 全性 の確保 が必要 であ る 。 本 研 究で は 、 軸 流 型 の縦 型 ポ ン プ にお い て は 、 軸流 は ス ラ ス トカ を 生 む がラ ジアル カは小 さい こ と を 計 算 流 体 力 学(CFD)コ ー ド を 用 い た 解 析 に より 突 き 止 め た。 特 に 、 軸 受構 造 の 回 転 軸 にク ラ ッ ド （ 水垢 ） が 付 着 す ると 不 安 定とな り、ホ ワー ル振動 を発生 するこ とを解 明し 、これ を実験 によ り 検 証 し た。 更 に こ の 抜 本的 を 対 策 と して ハ ウ ジ ン グと デ ィ フ ュ ーザ と の 微 少間 隙部に 複数個 のグ ル ー ブ を 設け る こ と で 、 安定 を 流 体 軸 受構 造 を 得 た 。こ の 改 良 型 のポ ン プ が 最新 鋭の原 子力発 電所 の 再 循 環 ポン プ と し て 使 用さ れ 、 安 定 を運 転 が 継 続 して い る 。
第5章 で は 、本 研 究 で 得 られ た 成 果 を 総括 し て い る 。原 子 炉 再 循 環 シス テ ム の 主 要機 器 で あ る 再 循 環 ポ ン プの 健 全 性 を 確 保す る こ と は 、こ の 系 統 の 重要 を 機 能 で ある 炉 心 燃 料を 冷却す る機能 を確 保 す る も ので あ る 。 ポ ン プの 圧 力 脈 動 によ る ポ ン プ 内部 構 造 の 損 傷・ 破 損 や 、ポ ンプの 主軸の 熱疲 労 や 振 れ 周り に よ る 主 軸 の損 傷 は 、 重 大な 事 故 に つ をが り か ね を いも の で あ り、 このシ ステム の安 全 が 原 子 力 発 電 所 全 体 の 安 全に 影 響 す る こ とか ら 、 事 象 の再 発 を 防 止 する 恒 久 対 策 が極 め て 重 要 で あ る 。 本研 究 で は 、 理 論的 な 想 定 か ら解 析 を 行 う こと と 、 実 験 や検 査 に よ るデ ータを 分析す るこ と と を 合 わせ て 、 現 象 の メカ ニ ズ ム を 同定 し て 、 実 態に 合 っ た 適 切を 評 価 法 を導 出した 。それ によ り 、 再 び 同様 の 不 適 合 を 起こ す こ と の をい 構 造 を 得 るこ と が で き た。
更 に 、類 似 の 不 適 合事 象 の 発 生 を防 ぐ べ く 、 脈 動の 伝 播 に よ る疲 労 損 傷 の 評価、 熱疲労 の発生 評 価 な ど を 展開 し 、 対 策 の 構築 に 役 立 て ると 共 に 、 改 良品 の 輸 出 に よる 恒 久 対 策の 国際展 開や学 会標 準 の 策 定 にも 貞 献 し た 。
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学位論文審査の要旨 主査 副査
副査 副査
教 授 奈 良 林 直 教 授 中 村 孝
特 任 教 授 杉 山 憲 一 郎 教 授 佐 藤 正 知
学 位 論 文 題 名
原子炉系機器の流れによる不適合発生とその恒久対策に f る研究
2011年3月II日 、 福 島 第 一 原 子 力 発 電 所 に お い て は 、 炉 心 を 冷 却 す る と い う 重 要 を 機 能 を 失 うこ と に を り 、放 射 能 の 閉 じ込 め 機 能 の 喪 失と い う 深 刻 を事 態 に 陥 っ た。 こ の 事 故 につ いての 分析 や、 原 子 力 安 全の 確 保 の た めに 、 こ れ か ら やら を け れ ば をら を い 対 策 は今 後 の 検 討 にゆ だねる が、
他の 原 子 力 発 電所 の 運 転 を 継続 す る た め に は、 原 子 力 発 電シ ス テ ム と して の 安 全 性 ・信 頼性を 向上 さ せ る た ゆ ま ぬ 努 カ が 必 要 で あ る 。1966年 の 日 本 原 子 力 発 電 東 海発 電 所 の 稼 働以 来 、 約700件 と 多 く の 不 適 合 を 克 服 し て き た 。 不 適 合 の 件数 は 、 年 間 約1件/基 を 越え る 不 適 合 発 生件 数 は 、40年 を経 た 現 在 で は、 年 間 約0.2件 ′ 基 程 度に ま で 減 少 して き て い る 。
を か で も 、 沸 騰 水 型 原 子 炉(BWR)の 再 循 環 ポ ン プ は 、(1)圧 力 脈 動 に 起 因 す る 溶接 部 の 疲 労 き 裂 、(2)主 軸 の 熱 疲 労 が 発 生 し た 。 更 に 、 改 良 型 沸 騰 水 型 原 子 炉(ABWR)に お い て は 、応 力 腐 食 割 れ が 多 発 し た 再 循 環 系 配 管 を 削 除 す る と いう 抜 本 的 を 対 策の た め に 、 炉内 内 蔵 型 の 再循 環 ポ ン プ
（イ ン タ ー ナ ルポ ン プ ） を 採用 し た が 、 初 号機 の 試 運 転 中に(3)主 軸が振 れ回 るホワ ール現 象が発 生 し た 。 沸 騰 水 型 原 子 炉 に お い て は 再 循 環 ポン プ は 炉 心 の 出力 制 御 や 燃 料の 冷 却 に 直 接関 係 し て お り、 こ の シ ス テム の 安 全 性 ・信 頼 性 確 保 は 重要 で あ る 。 そこ で 、 本 研 究で は 、 こ れ らの 重要を 不適 合 事 象 を 対 象 と して 、 以 下 の3つ の 現 象 の メカ ニ ズ ム を 解 明と そ の 評 価 法の 確 立 、 恒 久対 策 を 得 る こと を 目 的 と して 研 究 を 実 施し た 。
(1)ポ ン プの 羽 根 車 の 回 転に よ り 発 生 する 圧 力 脈 動 の評 価 法 と 対 応策
(2)ポ ン プ の 回 転 軸 の 軸 封 部 間 隙 で の 高 温 低 温 水 の 混 合 に よ る 熱 疲 労 の 評 価 と 恒 久 対 策 (3)縦 型 ポン プ の 不 安 定 解析 と 適 正 を 軸受 構 造 の 評 価
第1章 「緒 論 」 で は 、 研究 の 背 景 、 研究I＝1的 、従 来 の 研 究 の概 要と本 研究の 位置付 けと研 究方 針 につ い て 述 べ た。
第2章 で は 再 循 環 ポ ン プ の 羽 根 車 の 同 転 に よ り 発 生 す る 、 ポ ン プの 脈 動 に よ る 構造 励 振 （ 共 振
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現 象 ） の 評 価 法と 構 造 健 全 性の 確 保 の た めの 方 策 の 考 え方 を 示 し た 。この 事象は 、ポ ンプの 羽根車 の ー 部 を 損 傷 させ 、 ポ ン プ を停 止 さ せ る ぱか り で は を く、 そ の 破 片 を炉内 に流入 させ た。こ のよう を 事 象 を 再 び 起 こ さを い た め に 、ポ ン プ の 羽 根車 の 回 転 に 伴 って 発 生 す る 圧力 脈 動 を 回 避す る た め 、 ポ ン プ の 羽根 車 の 周 囲 に圧 力 脈 動 の 周波 数 に 一 致 する 構 造 を 置 かをい こと、 また 、たと え共振 し て も 構 造 健 全 性 が 十 分 に 保 て る も の と す る こ と 、 を ど の 評 価 法 と 恒 久 対 策 を 得 た 。 第3章 では 、 ポ ン プ の回 転 軸 の 軸 封部 間 隙 で の 高 温低 温 の 二 温 度水 の 混 合 に よる 熱 疲 労 の評 価と 恒 久 対 応 策 を 研究 し た 。 ポ ンプ の 軸 封 部 の構 造 の よ う を微 少 間 隙 構 造部で の温度 差の 大きを 二流体 の 混 合 で は 、 構造 材 料 表 面 に温 度 変 動 に よる 熱 疲 労 が 発生 す る 。 そ こで、 循環す る熱 水と冷 却用の パ ー ジ 水 の 混 合部 近 傍 に発 生す ・る熱 疲労の 発生予 測法 を導出 し、こ れを基 に恒久 策と してケ ーシン グ カ バ ー 内 に パ ー ジ 水 を 徐 々 に 加 熱 し て 温 度 差 を 低 減 す る 構 造 を 提 案 し た 。 第4章 では 、 縦 型 ポ ンプ の 流 体 軸 受け の 不 安 定 性 問題 で あ る 。 この 縦 型 ポ ン プで は 、 吐 出流 れが 直 接 高 速 流 で 炉内 に 流 れ 込 むこ と か ら 、 炉内 構 造 の 流 動振 動 に 対 す る構造 健全性 の確 保が必 要であ る 。 本 研 究 で は、 軸 流 型 の 縦型 ポ ン プ に おい て は 、 軸 流は ス ラ ス ト カを生 むがラ ジア ルカは 小さい こ と を 計 算 流 体 力 学(CFD)コ ー ド を 用 い た 解 析 に よ り 突き 止 め た 。 特に 、 軸 受 構 造の 回 転 軸 に ク ラ ッ ド （ 水 垢 ）が 付 着 する と不 安定と をり、 ホワー ル振 動を発 生する ことを 解明し 、こ れを実 験によ り 検 証 し た 。 更に こ の 抜 本 的な 対 策 と し てハ ウ ジ ン グ とデ ィ フ ュ ー ザとの 微少間 隙部 に複数 個のグ ル ー ブ を 設 け るこ と で 、 安 定な 流 体 軸 受 構造 を 得 た 。 この 改 良 型 の ポンプ が最新 鋭の 原子力 発電所 の 再 循 環 ポ ン プと し て 使 用 され 、 安 定 を 運転 が 継 続 し てい る 。
第5章 では 、 本 研 究 で得 ら れ た 成 果を 総 括 し て い る。 原 子 炉 再 循環 シ ス テ ム の主 要 機 器 であ る再 循 環 ポ ン プ の 健全 性 を 確 保 する こ と は 、 この 系 統 の 重 要極 機 能 で あ る炉心 燃料を 冷却 する機 能を確 保 す る も の で ある 。 ポ ン プ の圧 力 脈 動 に よる ポ ン プ 内 部構 造 の 損 傷 ・破損 や、ポ ンプ の主軸 の熱疲 労 や 振 れ 周 り によ る 主 軸 の 損傷 は 、 重 大 な事 故 に っ を がり か ね な い もので あり、 この システ ムの安 全 が 原 子 力 発 電 所 全体 の 安 全 に 影響 す る こ と から 、 事 象 の 再 発を 防 止 す る 恒久 対 策 が 極 めて 重 要 で あ る 。 本 研 究で は 、 理 論 的な 想 定 か ら 解析 を 行 う こ とと 、 実 験 や 検査に よるデ ータ を分析 するこ と と を 合 わ せ て、 現 象 の メ カニ ズ ム を 同 定し て 、 実 態 に合 っ た 適 切 を評価 法を導 出し た。そ れによ り 、 再 び 同 様 の不 適 合 を 起 こす こ と の を い構 造 を 得 る こと が で き た 。更に 著者は 、類 似の不 適合事 象 の 発 生 を 防 ぐべ く 、 脈 動 の伝 播 に よ る 疲労 損 傷 の 評 価、 熱 疲 労 の 発生評 価をど を展 開し、 対策の 構 築 に 役 立 て ると 共 に 、 改 良品 の 輸 出 に よる 恒 久 対 策 の国 際 展 開 や 学会標 準の策 定に も貢献 した。
こ れ ら の新 知 見 は 、 原子 力 工 学 の 発 展に 貢 献 す る とこ ろ 大 を る もの があ り、優 れた学 位論文 であ る 。 依 っ て 、 著 者 は 北 海 道 大 学 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 あ る も の と 認 め る 。
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