応力腐食とは？配管を破壊する原子力用語
原子力を知りたい
応力腐食とは何ですか?
原子力マニア
曲げ応力や引張応力がかかった金属材料が、腐食環境にさらされたときに起こる腐食のことです。
原子力を知りたい
どんな場所で発生しやすいですか?
原子力マニア
沸騰水型発電炉のステンレス鋼配管溶接部近傍や、加圧水型発電炉の蒸気発生器の伝熱管などです。
応力腐食とは。
金属材料に曲げや引っ張りなどの応力がかかる「応力腐食」とは、塩素や酸素を含む水にさらされたときに発生する腐食現象です。配管などの部品の破損（割れ）につながりやすく、その対策が重要視されています。
沸騰水型原子炉では、ステンレス鋼製の配管の溶接部分付近で、加圧水型原子炉では蒸気発生器の熱伝導管などに発生しやすいため、材料の合金成分を改良したり、溶接や熱処理の方法、水処理法を改善するなどの対策が講じられています。
応力腐食が発生する仕組み
応力腐食とは、材料に外部応力が加わり、腐食反応が促進される現象のことです。応力腐食が発生すると、材料の破壊強度が低下し、裂けや破損につながる恐れがあります。
原子力分野において、応力腐食は配管の破壊を引き起こす原因の一つとして重要視されています。原子力発電所における配管には、高圧や高温の腐食性流体が流れており、これらの条件が応力腐食の発生に寄与します。応力腐食は、配管の肉厚を次第に薄くし、最終的に破壊に至る可能性があります。そのため、原子力施設では、応力腐食の発生を防止するための対策が講じられています。
配管破壊の原因となる応力腐食
応力腐食とは、金属が機械的応力を加えられている状態において、腐食環境にさらされることで急速に劣化し、破壊に至る現象です。この腐食は、配管の壁を弱め、最終的には破裂を引き起こす可能性があります。応力下で金属表面に小さな亀裂が発生し、腐食環境が亀裂に浸透することで亀裂が成長し、応力腐食割れが発生します。この亀裂は目視では検出しづらく、重大な事故につながる可能性があります。
沸騰水型発電炉と応力腐食
沸騰水型発電炉（BWR）は、軽水炉の一種で、加圧水型発電炉（PWR）と同様に、ウラン燃料を核分裂させて熱を発生させ、その熱を水で冷却して蒸気を作っています。BWRでは、冷却水が核分裂によって発生する熱を直接吸収して沸騰するため、「沸騰水」という名が付けられています。
BWRの特徴の一つは、炉内で直接沸騰する水を使用したことです。これは、PWRに比べて高温・高圧環境となるため、応力腐食が発生しやすくなります。応力腐食とは、金属材料に引張応力が加わった状態において、腐食環境にさらされると、通常よりもはるかに早く破壊が進行する現象です。BWRでは、蒸気発生器や配管にこの応力腐食が発生し、配管の破損や炉心溶融に至る重大事故につながる恐れがあります。
加圧水型発電炉と応力腐食
加圧水型発電炉は、原子力発電所において最も一般的な原子炉のタイプです。この炉は加圧された水を使用してウラン燃料を冷却し、蒸気を発生させます。この蒸気はタービンを回し、電気を発生させます。
加圧水型発電炉では、応力腐食が大きな問題となる可能性があります。これは、高温の水と高圧が配管材料と相互作用し、応力腐食割れと呼ばれる亀裂を引き起こすからです。これらの亀裂は通常、材料の粒界に沿って発生し、配管の強度を低下させる可能性があります。十分に大きく成長すると、亀裂は配管の破裂につながり、重大な事故が発生する可能性があります。
応力腐食対策の事例紹介
応力腐食は、金属が応力下で腐食する現象であり、原子力業界では配管を侵食する重大な問題となっています。応力腐食を防ぐ対策として、さまざまな手法が検討されています。
応力腐食対策の事例としては、応力緩和焼き鈍しが挙げられます。これは、応力を除去または軽減するために、金属を一定温度に加熱して冷却する工程です。また、高張力鋼への置き換えや腐食抵抗性の高い材料の選択も対策として有効です。さらに、電位制御や腐食インヒビターの添加といった電気分解的保護手法も応用されています。