原子力発電所におけるシール部品の応用

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工業技術の発展に伴い、高性能なシール部品が原子力発電所で広く利用されるようになりました。また、これらの高性能シール部品は、原子力発電所の安全かつ安定した運転にも重要な役割を果たしています。ここでは、現時点で国内で最も大きな出力を持つ発電機を例に挙げ、原子力発電所におけるシール部品の利用状況とその役割について説明します。 原子力発電所は、民間の火力発電所や水力発電所などと異なり、より高い安全性と技術的な成熟度が求められる。したがって、原子力発電所に設置されるシール部品も、高い安全性と信頼性、そして交換が容易な均一性を備えている必要がある。原子力発電所の構造物、システム、部品（SSC）の設計において、シール部品は広く使用されており、主なものとしては、構造物の密封要件を満たすためのシールドアに用いられるシールリング、プロセス流体システムの配管フランジの密封、各種耐圧機器のフランジの密封、特に原子力発電所の核心機器である原子炉の圧力容器の頂部カバーの密封などが挙げられます。 一：構造物設計におけるシール部品の応用　原子力発電所において燃料プールと燃料輸送通路の間に設置される水中シールドアのシール部品を事例に、構造物の機能要件を満たすために使用されるシール部品の設計上の特徴、構造上の特徴、シール性能に関する要求事項などについて解説する。 原子力発電所の設計において、水中シールドアは核の安全に関わる部品であり、そのシール部品はシール性能を決定する重要な構成要素です。ドアが閉じた状態では、シール部品の内部空洞に空気を送り込むことでシール部品を膨らませ、周囲のプレートを圧縮し、それによってドアのシールが実現されます。シールドアが存在する媒体はホウ素を含む水で、水中のホウ素濃度は2000～2500ppm、媒体のpH値（250℃）は4.7～5.5です。 密閉ドアが閉じた状態のとき、ドアの両側には大きな水圧差が生じる。一方に水がなく、もう一方が通常の水位にある場合、水位差は6.5mにも達する。そのため、シール部品の材料には優れた弾性とともに優れた靭性も求められ、一般的にスチレンブタジエンゴムが使用される。 二：シール部品のシステム設計における応用
原子力発電所の設計において、シール部品はプロセス流体システムで最も広く使用されている。流体システム内の配管フランジは、一般的に標準規格に基づいて設計されており、その規格としてはASMEシリーズが主流で、ASME B16.5やASME B16.47などがある。標準フランジ間のシールパッキンの設計は、フランジの構造に合わせて行われる。適切なシール部品の選定は、プロセス流体システムが正常かつ安全に稼働し続けるために重要な役割を果たす。 配管フランジ用のシールパッキンの選定は、フランジが取り付けられている流体システムの媒体、設計温度、設計圧力と密接に関連しています。現在の原子力発電所において、配管フランジのサイズ範囲は1/2インチ～38インチ（DN15～DN950）であり、フランジの等級範囲はClass150～2500です；原子力発電所の核島プロセスシステムの設計温度範囲は、15℃～343です℃；設計圧力範囲は：0.1MPa～20.3MPa；主な流体媒体には、原子炉冷却剤、ホウ素含有水、蒸気、冷却水、脱塩水、30％水酸化ナトリウム溶液、7％硝酸溶液、酸素、窒素、ディーゼル燃料などがある。 プロセスシステムの配管フランジ用シールガスケットの種類には、主に金属グラファイトシールガスケット、内外の補強リングを備えた柔軟な巻き取り式ガスケット、非金属製の平らなガスケットがあります。 1. 金属グラファイトガスケットの応用　核安全上重要な配管システムにおいては、主に金属グラファイトガスケットが使用される。このガスケットの特徴は、「金属同士の接触による」密封方式が採用されている点であり、ガスケットは内側の金属リングと外側の金属リング、そしてグラファイトリングから構成されている。内側と外側の金属リングはガスケットの密封において異なる役割を果たし、グラファイトリングが密封用のリングとして機能する。 このシール構造により、ガスケットがシール状態を維持し、常にガスケットの金属リングとフランジのシール面が十分に接触することが保証され、それによって黒鉛シールリングの動作応力が一定に保たれる；また、金属同士の接触によるシール構造も、外部からの曲げモーメントや温度・圧力の変動がシール面に与える悪影響を効果的に低減することができる。 金属グラファイトガスケットのシールリングは、高純度の膨張グラファイト板を圧縮して作られており、この高純度グラファイトリングは優れた放射線耐性を持っています。金属製の制限リングには耐食性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼が使用されており、主な材質の規格番号は316Lです。金属グラファイトガスケットの現在の使用サイズ範囲は1/2”～24”（DN15～DN600）で、ASME B16.5に基づいて製造された各等級の標準フランジに適用されます。金属グラファイトガスケットがフランジのシール面に求めるのはライズドフェイスであり、ガスケットのシール性能を確保するために、フランジのシール面の粗さは3.2μm以下でなければならない。金属グラファイトガスケットの優れたシール性能は表1に示されている。 2. 内外の補強リングを備えた柔軟な巻き込み式ガスケット
原子力発電所のプロセス流体システムにおいても、内外の補強リングを備えた柔軟な巻き込み式ガスケットが広く使用されている。このガスケットの構造寸法は、規格ASME B16.20の要求事項に適合しており、ガスケットの内側および外側のリング、ならびに金属帯にはオーステナイト系ステンレス鋼板/帯が使用され、充填材には純グラファイトが用いられている。 柔軟巻き取り式ガスケットは、機械や化学工業などの分野で広く使用されている。原子力発電所で使用される柔軟巻き取り式ガスケットは、他の産業分野とは異なり、グラファイトに対して特別な要求がある。詳細は表2を参照のこと。 3. 非金属平垫片
原子力発電所の水系、特に海水系では、システム配管の直径が大きく、また配管に使用されるフランジも大径でシール面が平面（フラットフェイス）のものであるため、システム配管の優れた密閉性を確保するために、設計上100％エンプラされたポリテトラフルオロエチレン（e-PTFE）製の非金属平垫片が使用されている。PTFE垫片の材質特性として、100％多方向に伸ばされたエンプラであるため、優れた耐化学腐食性を有しており、その主な性能は表3に示されている。 三：シール部品の機器部品への応用　耐圧機器に使用されるフランジ用シール部品では、ガスケットの形状はほとんどが設計図に基づいて加工された非標準的または特殊な形状をしている。ガスケットの材料には、エチレンプロピレンゴム、無アスベスト材、ポリエチレンなどが主に使用される。耐圧機器で使われるガスケットは、主に機器のマンホールなどのフランジ接続部に適用される。原子力発電所の核心機器である原子炉圧力容器に使用される金属製C型リングシール部品は、線状シール構造、高いガスケット強度、低い漏れ率といった特徴を持っています。金属製シール部品のシーリング性能を確保するためには、シール面に高い加工精度が求められ、シール面の加工表面の粗さRaは0.8～1.6μmの範囲で管理されます。 まとめ：シール部品はプロセスシステムの配管付属品として、原子力発電所の一次系、二次系、および補助プロセスシステムで広く使用されている。シール部品の設計と選定により、原子力発電所の構造物、システム、部品が高い密封性を持つことが保証される。シール部品は使い捨ての交換部品として扱われるため、その製造には高い均一性が求められる。また、シール部品は耐圧境界における弱点となるため、あらゆる状況下でも安全かつ信頼性の高い性能を維持する必要がある。上記のシール部品は原子力発電業界で広く使用されており、優れた使用実績とフィードバックが得られています。 効率的で信頼性の高いシール設計コンセプトは、原子力発電所の設計に広く応用されている。