Analysis methodology of the calculation code, WRAC-JAEA, for determining major indexes of corrosive circumstance in light water reactors

軽水炉腐食環境主要指標決定のための解析コードWRAC-JAEAの解析手法

内田 俊介; 端 邦樹 ; 塙 悟史 

Uchida, Shunsuke; Hata, Kuniki; Hanawa, Satoshi

軽水炉腐食環境評価解析コードWRAC-JAEAは、沸騰水型原子炉(BWR)冷却水を対象に開発された水の放射線分解(ラジオリシス)解析コードをベースに、加圧水型原子炉(PWR)にも適用できる様に開発された。すなわち、(1)高温pH算出機能、(2)ラジオリシス計算に及ぼす高温pHの影響解析機能、(3)混成理論に基づく腐食電位(ECP)解析機能、そして(4)ラジオリシスとECPの結合解析機能を付加した。軽水炉1次冷却系の腐食環境緩和は、系統を構成する機器、特に経年化原子炉の主要機器の信頼性確保のための有効な手段の一つである。しかし、BWRとPWRでは、冷却システムの差異のため腐食環境緩和のための水化学制御手法は大きく異なる。BWRでは、ステンレス鋼の粒界型応力腐食割れ(IGSCC)の抑制が、機器、配管の信頼性確保のカギを握っているが、直接サイクルを採用するため、pH制御が難しく、水素添加量が制約される中で、ラジオリシス解析コードとECP解析を組合せた緻密な腐食環境の解析と測定を併用しつつ、腐食環境の緩和および構造材の健全性確保が図られてきた。一方、PWRでは、高pHに維持し、十分な量の水素を添加することにより、水の放射線分解によって生成する酸素、過酸化水素などの腐食性生成種の濃度を、余裕をもって低く抑え、腐食環境を緩和することが可能であった。しかし、ニッケル基合金の1次冷却水応力腐食割れ(PWSCC)の発生と進展が水素によって加速される可能性が指摘され、水素添加量とECPの相関を定量化する必要性が高まってきた。BWR用に開発されたラジオリシス解析コードは中性水対象であり、高pH条件にはそのままでは対応が難しい。ECP解析も高pHでは異なる。このため、BWRでの経験を最大限に生かしつつ、PWR1次冷却系にも適用可能な腐食環境解析手法の確立が急務となっている。WRAC-JAEAは、BWRとPWRそれぞれの腐食環境評価に資するのみでなく、本コードによる評価を介して、両炉型での主要構造材の知見を相互評価し、構造材に生ずる腐食損傷に係る諸課題への対応に、それぞれの経験、知見を反映する重要な手段を提供することが期待できる。

The calculation code for determining corrosive circumstance in light water reactors, WRAC-JAEA, has been developed based on water radiolysis calculation codes for BWR. The code has involved several new calculation functions to apply it for PWR, i.e., (1) high temperature pH (pH), (2) pH effects on water radiolysis, (3) electrochemical corrosion potential (ECP) based on the mixed potential theory, and (4) ECP based on the water radiolysis calculation results. Moderation of corrosive conditions in the primary cooling systems is one of the promising procedures to mitigate the loss of reliabilities of major components in the systems, especially in aging plants. However, water chemistry control for corrosive environment mitigation procedures are much different in BWRs and PWRs. In BWRs, intergranular stress corrosion cracking (IGSCC) of stainless steel is the dominant causes for determining plant reliability. It is difficult to increase pH and injected hydrogen amounts due to direct power cycle operation. So, precise control of hydrogen injection with supported by water radiolysis and ECP analyses has been carried out to keep material reliability. In PWRs, it is possible to maintain stable control of corrosive circumstances with higher pH and sufficiently large hydrogen concentration. Recently, it was pointed out that one of the major causes of primary water stress corrosion cracking (PWSCC) of nickel alloys was hydrogen. The optimal hydrogen concentration should be evaluated to mitigate ECP without increasing hydrogen concentration. For this, a combined water radiolysis and ECP analysis code is required to determine the suitable hydrogen concentration and ECP. WRAC-JAEA can contribute not only to evaluation of corrosive conditions each of BWR and PWR, but also to prepare for suitable countermeasures for both BWR and PWR by cross-talking the knowledge and experience with assistance of the code results.