安全研究センター成果報告会 2013/1/16 巨大地震が原子力機器健全性に及ぼす影響評価に関する研究安全研究センター機器・構造信頼性研究グループ勝山仁哉本発表の一部はJNES委託業務の成果である研究の背景と課題東北地方太平洋沖地震福島第一原子力発電所 • • •  原子炉建屋最下階の基礎版上での観測値 (単位: Gal) 1号機 2号機 3号機発生年月日: 2011年 3月 11日 460 550 507 観測値地震規模: マグニチュード9.0 基準地震動Ssによる最大加速度 487 438 441 基準地震動を大きく超える揺れ基準地震動Ss: 新耐震設計審査指針 (2006) 一部の機器に塑性域に至る荷重がかかった可能性 – 通常運転時には弾性域を越えない。 – 仮に地震により一時的に塑性域に至ったとしても、継続的に大きな変形を起こさない。 – 検査で見つかったき裂に対して運転期間内の進展量を予測して健全性を評価。 (ただし弾性域の評価) ① 塑性域の地震荷重を受けた機器類におけるき裂進展評価手法が確立されていない。 ② 新耐震指針では、基準地震動を超えた場合を想定して残余のリスクを考慮することと明記されているが、その評価方法は定められていない。 ③ 基準地震動を超えた場合、塑性域に至る荷重はどの機器類で発生するか、それらの機器類はどの程度の地震荷重を受けるかを評価する手法の整備が不十分。残余のリスクとは: 想定した基準地震動を上回る地震動の影響により、施設の損傷、放射性物質の拡散、周辺公衆の被ばくをもたらすリスク 1 研究計画の概要 ① 塑性域の地震荷重を考慮したき裂進展評価手法の提案 ② 確率論的破壊力学 (PFM) 解析コードの開発と適用範囲の拡張 ③ 構造応答解析による地震荷重評価手法の整備 (システム計算科学センターと連携) 地震荷重の評価（入力データの作成）配管の地震時破損評価構造応答解析 (③) 地震荷重を考慮したき裂進展評価 (①) き裂配管応答地震荷重建屋応答 PFM解析コードによる破損確率解析 (②) 破損確率経年劣化に伴う破損確率入力地震動運転時間 (年) 2 ①塑性域の地震荷重を考慮したき裂進展評価手法の提案  弾性域の荷重にのみ適用可能  不規則な波形を一定振幅に置き換えて評価 ◎ 塑性域の荷重に対応したパラメータ (J積分)の適用性確認 ◎ 不規則な波形に対応したき裂進展評価手法の構築 ○ 過大荷重によるき裂進展速度の加速・遅延効果の定式化 ○ 配管におけるJ積分データベースの整備 114.3 mm 8 mm 300 mm 貫通き裂平板試験片を用いた要素試験 1800 mm 初期き裂 (60o) 配管試験体を用いた実証試験 3 荷重塑性域の荷重に対応したパラメータ (J積分)の適用性検討 J積分き裂進展に伴うエネルギー解放率 (塑性域でも適用可能) J積分は荷重‐変位曲線下の面積(エネルギー)に比例弾性域変位 (変形) 平板試験片を用いた要素試験試験結果試験結果き裂進展速度 (m/cycle) き裂進展速度 (m/cycle) (疲労+延性き裂進展) 1.E-04 1.E-04 1.E-05 従来手法で評価した結果 1.E-06 弾性域 1.E-06 J積分で評価した結果 1.E-07 1.E-07 10 1.E-05 K (MＰa√m) 100 10 J (kJ/m2) • J積分でき裂進展評価が可能であることを確認 100 4 荷重不規則な波形に対応したき裂進展評価手法の構築地震荷重データ変位入力配管応答解析荷重建屋応答解析 25 出力変位 15 J J (kJ/m2) 20 10 5 0 0 50 100 150 サイクル数 (-) 200 250 1サイクル毎にJ※を算出する手法を提案 ※ 疲労き裂進展に寄与するJ積分値 5 配管試験体を用いた実証試験 16 試験結果提案手法による評価結果従来手法による評価結果 14 12 初期き裂 (60o) き裂進展量, mm 10 8 6 4 配管に模擬地震動を負荷してき裂進展量を測定 2 0 0 3 6 9 模擬地震動の繰り返し数, 回 12 15 • 提案した手法により、従来手法よりも精度良くき裂進展を評価可能 6 塑性域の地震荷重を考慮したき裂進展評価手法の提案 • 有限要素法解析により、配管にき裂が存在する場合のJ積分データベースを整備 • 基準地震動を超えた地震荷重によるき裂進展及び破壊評価を通じて耐震裕度評価を行う。 7 ②PFM解析コードの開発と適用範囲の拡張スタート解析条件・環境，形状・運転応力，溶接残留応力分布,etc 確率変数解析条件設定確率変数サンプリング・溶接残留応力分布・き裂進展速度・欠陥検出確率，サイジング精度,etc 運転状態を模擬モンテカルロ法破損評価運転応力，溶接残留応力等を負荷き裂進展評価運転開始イベント発生・漏えい・破壊（破断）運転終了・供用期間中検査（ISI）(欠陥検出性及びサイジング精度) ・過渡事象，地震荷重によるき裂進展破損確率評価課題ストップ • 塑性域の地震荷重を考慮したき裂進展評価手法の導入 • 現状の解析対象は直管突合せ溶接部に限られるため、構造材料不連続部等への適用範囲の拡張 8 塑性域の地震荷重を考慮したき裂進展評価手法の導入 • 提案したき裂進展評価手法をPASCAL‐SPに導入 • 仮に評価時点で地震が起きると仮定して破損確率を評価解析条件配管内半径 273.9 mm 肉厚 38.9 mm 深さ対数正規分布半長対数正規分布き裂形状運転に伴うき裂進展地震動 (平均値: 1.06mm) (平均値: 12.8mm) 提案手法従来手法 1.00E-02 1.00E-03 疲労 2.25Sm※ (評価時点で地震が発生すると仮定) ※ クラス1配管許容状態Csにおける1次応力の許容応力 (降伏応力の1.5倍に相当) 1.00E-01 破損確率 (-) 炭素鋼管 1.00E-04 0 10 20 30 40 50 60 運転時間 (年) • 配管の破損確率は、従来手法による評価に比べて高くなる。  巨大な地震が発生した際の冷却材損失事故の発生頻度評価に有用 9 構造材料不連続部等への適用範囲の拡張 • き裂が顕在化しているものの、溶接残留応力評価が難しく、そのため健全性評価も困難な PLR配管鞍型管台部等の構造不連続部を対象。外表面外表面内表面内表面溶接部配管鞍型管台部における溶接残留応力解析 • 構造材料不連続部における溶接残留応力及びき裂進展評価手法を開発・改良。 • 原子炉圧力容器上蓋・下部ヘッド等のNi基合金溶接部も対象。  構造材料不連続部におけるき裂進展挙動を把握し、PFM解析の適用範囲を拡張。 STEP 0 STEP 20 鞍型管台におけるき裂進展試解析 10 耐震裕度を評価するための手法の提案 PFM解析コードを用いて、基本地震動を超える地震荷重を考慮した機器の破損確率評価等を行い、冷却材損失事故の発生頻度を評価。 ① 地震の大きさに対する裕度 2倍 ② 繰返し数に対する裕度 3倍 1倍・・・ 11 ③構造応答解析による地震荷重評価手法の整備システム計算科学センターと連携 12 既存解析技術との比較 • 高精度な構造応答解析が可能  経年劣化等による強度低下を考慮した評価が可能  塑性域に至る可能性のある機器類について、機器類が受ける地震荷重を推定し、き裂進展評価や破損確率評価に適用。 13 まとめ平成 24 25 26 27 28 き裂進展評価手法の改良 PFM解析コードの開発・適用範囲の拡張構造応答解析による地震荷重の整備 • • • 日本機械学会維持規格等が定める健全性評価手法の高度化に寄与基準地震動を超える地震に対する原子力施設の耐震裕度の評価地震PSAの分解能や精度の向上 14 15 J積分とはＪ積分はき裂進展に伴い解放される蓄えられたエネルギ • 蓄えられたエネルギは外力の仕事、すなわち荷重‐変位曲線の下の面積に等しい • き裂進展に伴い解放されたエネルギは中図斜線部に等しい • J積分値は中図の斜線部の面積に比例  き裂が深く、き裂進展に伴う荷重‐変位曲線の傾きの変化が分かっている ⇒右図のように一つの荷重‐変位曲線から求められる。 a δa J積分値 a δa 荷重,P 荷重荷重,P δaのき裂進展に伴い解放されたエネルギーき裂の進展に伴い傾きが変化荷重き裂長さaの試験片とき裂長さa+δaの試験片で比較変位, u 変位,u 16 き裂進展速度の遅延・加速を評価可能なJ補正式の提案 ① き裂鈍化の影響 ② (i) (ii) (iii) ① ③ 引張 ④ き裂先端塑性域の影響 ② (i) 過大荷重引張圧縮 (ii) 遅延・加速領域 ai Zi aol Zol (iii) 遅延・加速終了 Zi ai ③ 圧縮 aol ④ J eff ,i  J max,i  J i   J max,ol Zol   Zi    Z  a  a  ol i   ol  1      R 1  Rol  x  aol Zol     Jをき裂鈍化の影響とき裂先端塑性域の影響の積で補正することで、 17 き裂進展速度の遅延・加速を評価過大荷重の影響評価き裂進展速度 da/dN (m/cycle) 1.E-04 過大荷重前過大荷重前過大荷重後過大荷重前過大荷重後過大荷重後疲労き裂進展速度(維持規格R=0) 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E+00 1.E+01 1.E+02 2 J (kJ/m ) 提案したJ補正式を用いて、 • 従来手法に比べて、塑性範囲におけるき裂進展評価が可能になるとともに、遅延効果を推定可能となった。 • 1つの補正式で、加速効果を含めた推定が可能となった。 18 配管試験体を用いた実証試験初期き裂 (60o) 配管に模擬地震動を負荷してき裂進展量を測定き裂進展量 (mm) 1 試験結果提案手法による評価結果従来手法による評価結果 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 100 サイクル数 (-) 200 • 提案した手法により、従来手法よりも精度良くき裂進展を評価可能 19