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BWR 原子炉圧力容器(RPV)

Reactor Pressure Vessel。BWRの核心構造体であり、炉心・炉内機器・冷却水を一体的に収納する円筒形高圧容器。 設計圧力約8.62 MPa・設計温度約300 ℃の環境下で、炉心から発生した蒸気を直接タービンへ送るBWR固有の一次冷却材系統を構成する。 RPV内部には燃料集合体・炉心シュラウド・蒸気分離器・蒸気乾燥器など多数の炉内機器が配置される。

目次

  1. 主要仕様
  2. RPV本体の構造
  3. 断面概念図
  4. 炉内機器の詳細
  5. 燃料集合体・制御棒
  6. 炉心シュラウド
  7. 蒸気分離器
  8. 蒸気乾燥器
  9. ジェットポンプ(BWR/4〜6)
  10. 内部ポンプ(ABWR)
  11. 給水スパージャ
  12. CRDハウジング・案内管
  13. 炉内計装
  14. 材料・溶接
  15. 経年変化と健全性管理
  16. 定期検査(ISI)

1. 主要仕様

項目BWR/5(代表値)ABWR(代表値)
電気出力約 1,100 MW(e)約 1,350 MW(e)
熱出力約 3,300 MW(th)約 3,926 MW(th)
RPV内径約 5,560 mm約 7,100 mm
RPV全高約 21,900 mm約 21,000 mm
胴板板厚約 160 mm約 170 mm
設計圧力8.62 MPa(g)8.62 MPa(g)
設計温度302 ℃302 ℃
運転圧力(ドーム部)約 7.17 MPa約 7.17 MPa
運転温度(飽和)約 285 ℃約 285 ℃
容器空重量約 700 t約 900 t
主要材料(胴板)低合金鋼 SA-533 Gr.B / SA-508 Cl.3同左
内面クラッドオーステナイト系SUS(約 4〜5 mm)同左
再循環方式外部再循環ポンプ+ジェットポンプ内部ポンプ(RIP×10台)
制御棒駆動方式水圧駆動(CRD 下部)水圧駆動(CRD 下部)

2. RPV本体の構造

主要構成部分(上から下へ)

主要ノズル一覧

ノズル名接続系統位置口径(代表)
主蒸気ノズル(MSL)主蒸気系(4系統)上部胴約 650A
給水ノズル給水系(2系統)中間胴約 300A
HPCF/LPCI注水ノズル炉心冷却系中間胴〜下部胴約 150〜200A
炉心スプレーノズル炉心スプレー系シュラウド上部へ接続約 150A
RHR注水ノズル(LPFL)余熱除去系下部胴約 200A
再循環ノズル(BWR/4〜6)再循環系(出口×2・入口×2)中間胴約 500A
内部ポンプ差込口(ABWR)RIP(10台)下部胴側面
CRDハウジング制御棒駆動水圧系下鏡板約 50A×185本(ABWR)
LPRMハウジング中性子束計装下鏡板約 25A
ドレンノズルドレン下鏡板最下部

3. RPV断面概念図(BWR/ABWR)

  ┌─────────────────────────────┐
  │          【上 蓋】            │  ← 定検時取外し・シールはメタルΔリング2重
  │      (フランジ締結)          │
  ├─────────────────────────────┤  ← フランジ部
  │     ┌───────────────────┐   │
  │     │   【蒸気乾燥器】   │   │  ← 出口蒸気の湿分除去(目標湿分 <0.1 %)
  │     │    Steam Dryer     │   │
  │     ├───────────────────┤   │  ← 主蒸気ノズル(MSL×4)接続
  │     │  【蒸気分離器群】  │   │
  │     │  Steam Separators  │   │  ← スタンドパイプ+サイクロン分離器
  │     └────────┬──────────┘   │
  │              │ (シュラウドヘッド)  │
  │     ┌────────┴──────────┐   │  ← 給水スパージャ・炉心スプレー接続
  │     │  【炉心シュラウド】 │   │
  │  ↑  │  ─────────────── │   │
  │上昇 │  ║  燃料集合体群  ║ │   │  ← 炉心領域(740本@ABWR)
  │流   │  ║  【炉 心】    ║ │   │    LPRM・出力領域計装(TIP)貫通
  │  ↓  │  ─────────────── │   │
  │降下 │    (炉心支持板)  │   │
  │流   └────────────────────┘   │  ← アニュラス(降水流路)
  │                                │
  │  ╔══ジェットポンプ(BWR)═══╗  │  ← または RIP(ABWR)
  │  ║  ドライブノズル→混合部  ║  │
  │  ╚════════════════════════╝  │
  │     ┌───────────────────┐   │
  │     │  制御棒案内管群    │   │  ← 燃料集合体下部に配置
  │     │  (CRDハウジング) │   │  ← 下鏡板貫通・水圧CRD接続
  │     └───────────────────┘   │
  └─────────────────────────────┘
                │ CRD(下部挿入)
図1 BWR RPV断面の概念図(左:冷却材流れ、右:機器配置)

4. 炉内機器の詳細

4-1. 燃料集合体・制御棒・チャンネルボックス

燃料集合体(Fuel Assembly)

ABWR:9×9〜10×10型 有効燃料長:約3,710 mm 集合体本数:872本(ABWR)

制御棒(Control Rod)

形状:十字型(+字断面) 中性子吸収材:B₄C(炭化ホウ素)またはHf(ハフニウム) 本数:185本(ABWR)

チャンネルボックス(Channel Box / Fuel Channel)

材料:ジルカロイ-4またはZircaloy-2 肉厚:約 2〜3 mm

4-2. 炉心支持構造(Core Support Structure)

炉心支持板(Core Plate)

材料:SUS304 位置:炉心下部・RPV下胴に固定

上部格子板(Top Guide)

材料:SUS304 位置:炉心上部・シュラウド内

4-3. 炉心シュラウド(Core Shroud)

シュラウド本体

材料:SUS304L / SUS316L 外径:約 4,750 mm(BWR/5代表値)

シュラウドヘッド(Shroud Head)とスタンドパイプ

材料:SUS316L

4-4. 蒸気分離器(Steam Separator)

構造と動作原理

型式:スタンドパイプ+3段サイクロン式 本数:約 40〜55 本(プラント規模による) 材料:SUS316L

蒸気分離器の熱水力(二相流)

4-5. 蒸気乾燥器(Steam Dryer)

構造と動作原理

型式:波形板式(Corrugated Plate / Chevron型) 目標出口湿分:< 0.1 %(乾き度 > 99.9 %) 材料:SUS316L

蒸気乾燥器の振動問題(米国BWRで発生した事例)

2002〜2004年頃、米国の一部BWR(クワッドシティズ・ドレスデン等)で出力増加(EPU:Extended Power Uprate)後に蒸気乾燥器のクラックが発見された。 原因は主蒸気ライン圧力脈動(音響定在波)と乾燥器構造の共振(流力弾性振動)。 出力増加で蒸気流量が増加し、主蒸気ライン安全弁周辺の音響特性が変化して乾燥器に高サイクル疲労が生じた。 対策として構造補強・乾燥器の設計変更・出力上昇前の解析評価(CFD+FEM)が義務付けられた。日本でも同種の評価が行われた。

4-6. ジェットポンプ(Jet Pump)【BWR/4〜6型】

構造と動作原理

本数:20〜24 本(BWR/5 代表値) 流量増幅比:約 2.3〜2.5 材料:SUS316L

流量と出力の関係

ジェットポンプビームクラック(IGSCC)

ジェットポンプの入口混合器を固定する「ビーム(保持金具)」のSUS304溶接部にIGSCCが発生した事例が国内外で報告されている。 ビームが破断・脱落すると入口混合器がガタついてRPV内面を損傷するリスクがある。 定期検査時の目視・UT検査と、必要に応じたクランプ交換・補修が実施される。

4-7. 原子炉内部ポンプ(RIP:Reactor Internal Pump)【ABWR】

構造と特徴

本数:10 台 定格出力:約 1,100 kW/台 形式:湿式可変速キャンドモータポンプ

4-8. 給水スパージャ(Feedwater Sparger)

構造と機能

位置:シュラウド外・RPV内壁付近(降下流路上部) 材料:SUS316L

4-9. 制御棒駆動機構(CRD)ハウジングと案内管

CRDハウジング(CRD Housing)

位置:下鏡板貫通・外部へ突出 材料:SUS316L(AISI 316L)

制御棒案内管(Control Rod Guide Tube / CRGT)

材料:SUS316L 炉心支持板〜下部プレナム間に配置

4-10. 炉内計装

LPRM(局所中性子束モニタ)

型式:電離箱(フィッション チェンバ) 本数:52セット(ABWR、各セット4本の電離箱)

TIP(移動式出力域モニタ:Traversing In-core Probe)

型式:移動式電離箱

APRM(平均出力域モニタ)・OPRM(振動中性子束モニタ)

炉心差圧計装(Core Differential Pressure Instrumentation)

5. 材料・溶接

部位材料規格主な理由
胴板・鏡板低合金鋼(Mn-Mo-Ni系)SA-533 Gr.B Cl.1 / SA-508 Gr.3 Cl.1高強度・低温靭性・大断面鍛造性
内面クラッドSUS308L(溶接肉盛)ASTM A240相当炉水腐食対策・母材への中性子照射影響緩和
ノズル・フランジSA-508 Gr.3 Cl.1(鍛造)ASME Section III胴板と同材料で熱膨張整合
シュラウド・内部構造SUS316L / SUS304LASTM A240IGSCC耐性(低炭素・高Mo)
CRDハウジング・スタブチューブSUS316LASTM A182 F316L下鏡板貫通溶接部のIGSCC対策
燃料被覆管・チャンネルボックスジルカロイ-2 / Zr-Nb合金ASTM B811低中性子吸収・耐腐食性・燃料クラッド化学的両立性

溶接管理の重要点

6. 経年変化と健全性管理

照射脆化(Radiation Embrittlement)【胴板:最重要項目】

IGSCC(粒界応力腐食割れ:Intergranular Stress Corrosion Cracking)【炉内SUS部材】

IASCC(照射誘起応力腐食割れ:Irradiation-Assisted SCC)

その他の経年変化現象

7. 定期検査・供用期間中検査(ISI)

法規制の枠組み(日本)

主要検査項目

検査対象検査方法主な目的
RPV胴板・蓋溶接部UT(超音波探傷)・VT(目視)き裂・欠陥の検出・サイジング
RPVノズル溶接部UT・PT(浸透探傷)き裂・割れ
炉心シュラウド溶接線UT・VT(水中遠隔)IGSCC検出・き裂進展評価
CRDハウジングスタブチューブUT・VTIGSCC
ジェットポンプ部品VT(水中遠隔)ビームクラック・インレットミキサ固定状況
内部ポンプ(ABWR)VT・分解点検摺動部摩耗・シール健全性
燃料集合体チャンネルボックス変形測定・燃料棒外観照射成長・ピンホール・損傷
制御棒制御棒価値測定・外観目視中性子吸収材燃焼・変形・IGSCC
蒸気乾燥器VT・PTき裂・変形
サーベイランスカプセルシャルピー衝撃試験・化学分析照射脆化の実測

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