先進 的 な 原子炉 容器 が 核 安全 基準 を 強化 する

原子力発電所の中心部に深く埋め込まれ、想像を絶する圧力と放射線に耐えながら、人類のクリーンエネルギー追求を守り抜く鋼鉄の巨人。それが原子炉圧力容器（RPV）であり、原子力発電所の安全性の要です。この記事では、この重要なコンポーネントについて掘り下げ、その卓越したエンジニアリング、厳格な材料選定、そして進化する安全技術を探求します。

原子炉圧力容器は、原子炉冷却材、炉心遮蔽、燃料集合体を包み込む堅牢な要塞として機能する、原子力発電所の重要なコンポーネントです。各燃料集合体を直径8cmの個別のパイプに配置していたソ連時代のRBMK原子炉とは異なり、ほとんどの現代の原子力発電所は安全のためにRPVに依存しています。原子炉は通常、容器の構成ではなく冷却材の種類によって分類されますが、圧力容器の存在と設計は、発電所の安全性と効率に直接影響します。

一般的な原子炉の分類には以下が含まれます。

• 軽水炉（LWR）： 加圧水型原子炉（PWR）と沸騰水型原子炉（BWR）を含む、最も広く使用されているタイプです。
• 黒鉛減速炉： チェルノブイリRBMK原子炉に代表され、世界中のほとんどの民間原子力発電所とは大きく異なる設計です。
• ガス冷却熱中性子炉： 高度ガス冷却炉（AGR）、ガス冷却高速増殖炉、高温ガス冷却炉など。英国のマグノックス原子炉は古典的な例です。
• 加圧重水炉（PHWR）： 重水（重水素で濃縮）を減速材または冷却材として使用します。カナダのCANDU原子炉は著名なPHWRです。
• 液体金属冷却炉： 冷却にナトリウムや鉛ビスマス合金などの溶融金属を使用します。
• 溶融塩炉（MSR）： フッ化物ベースの溶融塩を冷却材として利用します。高温・低圧で運転するMSRは、原子炉容器へのストレスを軽減します。

圧力容器を使用する主要な原子炉タイプの中で、PWRは独特の課題に直面しています。それは、運転中の中性子照射（または中性子フルエンス）が徐々に容器材料を脆化させることです。対照的に、BWR容器はサイズが大きいため、より優れた中性子遮蔽を提供します。これにより製造コストは増加しますが、耐用年数を延ばすための焼鈍の必要がなくなります。

PWR容器の寿命を延ばすために、Framatome（旧Areva）やオペレーターなどの原子力サービスプロバイダーは、焼鈍技術を開発しています。この複雑で価値の高いプロセスは、長期間の照射によって劣化する材料特性を回復することを目的としています。

設計のバリエーションにもかかわらず、すべてのPWR圧力容器は主要な特徴を共有しています。

• 容器本体： 燃料集合体、冷却材、および支持構造を収容する最大のコンポーネント。通常、燃料装填用のトップ開口部を備えた円筒形です。
• 容器ヘッド： 上部に接続され、制御棒駆動装置と冷却材レベルプローブ用の貫通部が含まれています。
• 燃料集合体： ウランまたはウラン-プルトニウム混合物を含むロッドの格子状配列。
• 炉心遮蔽： 脆化を引き起こす高速中性子から容器を保護する円筒形のバリア。

RPV材料は、高温と圧力に耐えながら、腐食を最小限に抑える必要があります。容器シェルは通常、3〜10mmのオーステナイト系ステンレス鋼（冷却材接触部用）でクラッドされた低合金フェライト鋼を使用します。進化する設計では、SA-302 B（Mo-Mn鋼）やSA-533/SA-508グレードなどのニッケルを多く含む合金が組み込まれ、降伏強度が向上しています。これらのNi-Mo-Mnフェライト鋼は、高い熱伝導率と耐衝撃性を提供しますが、その放射線応答は依然として重要です。

2018年、Rosatomは放射線損傷を軽減し、容器の寿命を15〜30年延長する熱焼鈍技術を開発しました（バラコボ1号機で実証）。原子力環境は、材料を容赦ない粒子爆撃にさらし、原子を移動させ、微細構造欠陥を作り出します。これらの欠陥（ボイド、転位、または溶質クラスター）は時間の経過とともに蓄積し、材料を硬化させながら延性を低下させます。銅不純物（>0.1wt％）は脆化を悪化させ、「よりクリーンな」鋼の需要を促進します。

クリープ（持続的な応力下での塑性変形）は、欠陥の移動が速くなるため、高温で激化します。放射線アシストクリープは、応力と微細構造の相互作用から生じ、水素イオン（冷却材の放射線分解による）は、凝集力低下、内部圧力、またはメタンブリスターの3つの理論的メカニズムを介して応力腐食割れを誘発します。

新しいアプローチは、粒界、特大溶質、または酸化物分散（例：イットリア）を使用して、変位した原子を安定化させることを目指しています。これにより、元素の偏析が減少し、延性と耐亀裂性が向上します。耐放射線合金を最適化するには、さらなる研究が必要です。

2020年現在、主要なRPVメーカーには以下が含まれます。

• 中国：中国第一重工業、二重、ハルビン電気、上海電気
• フランス：Framatome
• インド：L&T Special Steels（BARC/NPCILと共同）
• 日本：日本製鋼所、IHI Corporation
• ロシア：OMZ-Izhora、ZiO-Podolsk、AEM-Atommash
• 韓国：Doosan
• 英国：ロールスロイス（海軍原子炉）