原子能设施的旋转设备的制作方法

本发明涉及配置于原子能设施的内含放射性核素的冷却流体的循环路内的原子能设施的旋转设备。

背景技术：

以往，作为上述的原子能设施，例如存在专利文献1记载的原子能电站(Atomic power plant)。

该原子能电站具备：一次冷却回路，其使作为内含放射性核素的冷却流体的一次冷却氦，在高温气体炉与热交换器之间循环；二次冷却回路，其使作为发电工作流体的二次冷却氦在热交换器与发电设备之间循环。

在该原子能电站中，通过在一次冷却回路循环的一次冷却氦，将在高温气体炉产生的热量传递至热交换器，在该热交换器中，使一次冷却氦的热量向在二次冷却回路循环的二次冷却氦转移，将转移至该二次冷却氦的热量输送至发电设备以供发电。

在这样的原子能电站中，通常在一次冷却回路配置回转器(Cirulator)(旋转设备)，以便使一次冷却氦加速循环。

专利文献1：日本特开平10-319169号公报

在上述的原子能电站的回转器中，由于与内含放射性核素的一次冷却氦接触的旋转翼、翼轴使用多晶合金(普通晶粒直径材料)，因此在反复应该使一次冷却氦在高温气体炉与热交换器之间循环的运转的过程中，导致一次冷却氦中内含的放射性核素，例如银向构成旋转翼、翼轴的多晶合金的深层扩散浸透。

即，在以往的原子能电站的回转器中，为了防止操作人员受到来自扩散浸透至多晶合金深层的银的伽马射线等的辐射，必须在维修检查时设定作业时间的限制、或使用远程装置，其结果，存在导致维护成本高的问题，而解决该问题是现有的课题。

技术实现要素：

本发明是着眼于上述现有的课题所做出的，目的在于提供一种原子能设施的旋转设备，其能够防止放射性核素向构成与内含放射性核素的冷却流体接触的旋转翼、翼轴的材料的深层扩散浸透，其结果，能够实现维护成本的降低。

在此，如图5所示，公知放射性核素相对于材料的扩散是材料的原子和放射性核素的原子例如银(Ag)原子通过热而替换位置的现象，从材料的表面S向作为晶粒C的分界线的晶粒边界Ca扩散的速度，比向晶粒C的中央扩散的速度快。

本发明的发明人们根据该现象，发现了通过增大晶粒的粒径、或进行单晶化来减少单位体积中晶粒(晶粒边界)的数量、即减少扩散速度快的晶界的面积，从而能够减少因扩散而增加的每个单位体积的Ag含量。

另外，本发明的发明人们也着眼于晶格扩散系数，发现了将该晶格扩散系数比Ni小的元素大量地添加(掺杂)于普通的Ni基合金而减小晶格扩散系数(改变合金组成)，也能够减小扩散量，因此完成了本发明。

此时，作为包含晶界扩散系数以及晶格扩散系数双方的扩散系数，使用“有效扩散系数”的用语。

本发明是一种原子能设施的旋转设备，配置于原子能设施的内含放射性核素的冷却流体的循环路内，具备：外壳；以及旋转机构，其在所述外壳内具备：与经过所述外壳的内部的内含所述放射性核素的冷却流体接触的旋转翼以及翼轴，所述外壳以及所述旋转机构中至少所述旋转机构的所述旋转翼及所述翼轴，由比多晶合金的有效扩散系数小的低有效扩散系数合金构成。

在本发明的原子能设施的旋转设备中，例如，即使在冷却流体中内含有在原子反应堆内产生的核裂变产物、因堆芯构造材料腐蚀而产生的放射性腐蚀产物等放射性核素，并被导入至外壳的内部，与旋转机构的旋转翼以及翼轴接触并且附着，由于外壳以及旋转机构中至少旋转机构的旋转翼以及翼轴由比多晶合金(普通晶粒直径材料)的有效扩散系数小的低有效扩散系数合金构成，因此能够将放射性核素扩散浸透至旋转机构的旋转翼以及翼轴的深层的情况抑制为较少。

此外，由于外壳以及旋转机构中至少旋转机构的旋转翼以及翼轴几乎不被放射性核素污染，因此能够减少设施解体时的放射性废弃物的量。

在本发明中，能够得到以下非常优异的效果：能够防止放射性核素向至少构成旋转翼、翼轴的材料的深层扩散浸透，因此能够实现维护成本的降低。

附图说明

图1是示出具备本发明的一个实施例的原子能设施的旋转设备的原子能电站的冷却回路的简要结构说明图。

图2是将图1的旋转设备的旋转机构部位以剖面示出的侧视说明图。

图3是示出一个实施例的原子能设施的旋转设备的效果的曲线图。

图4是示出其他实施例的原子能设施的旋转设备的效果的曲线图。

图5是示意地示出多晶合金的表面附近的晶粒以及晶粒边界的图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明进行说明。

图1以及图2示出本发明的原子能设施的旋转设备的一个实施例，在该实施例中，列举采用本发明的原子能设施的旋转设备作为原子能电站的回转器的情况为例进行说明。

如图1所示，该原子能电站具备：一次冷却回路(循环路)2，其使作为内含放射性核素的冷却流体的一次冷却氦在高温气体炉1与热交换器3之间循环；二次冷却回路4，其使作为发电工作流体的二次冷却氦在热交换器3与未图示的发电设备之间循环。

在该原子能电站中，通过在一次冷却回路2循环的一次冷却氦，将因高温气体炉1内的核燃料的核裂变所产生的高温(约950℃)的热量传递至热交换器3，在该热交换器3中，使一次冷却氦保有的热量向在二次冷却回路4循环的二次冷却氦转移，并将转移至该二次冷却氦的量热输送至发电设备以供发电。

在这样的原子能电站中使用的回转器(旋转设备)10，是在高温气体炉1及热交换器3之间的一次冷却回路2中，使将热量转移至二次冷却氦后的一次冷却氦加速并返回至高温气体炉1的设备，如图2所示，该回转器10具备：外壳11，其具有导入口11a以及排出口11b；叶轮(旋转翼)12，其收容于外壳11内；以及马达13。

叶轮12固定于马达13的输出轴13a(翼轴)，并与该输出轴13a一同构成旋转机构，该叶轮12借助马达13的输出而旋转，对从外壳11的导入口11a导入至内部的来自热交换器3的一次冷却氦进行加速，并将其从排出口11b朝向高温气体炉1排出。

在该情况下，回转器10的外壳11以及旋转机构中至少旋转机构的叶轮12以及输出轴13a，由比多晶合金(普通晶粒直径材料)的有效扩散系数低的低有效扩散系数合金、即：使熔融金属凝固时的冷却速度变慢，或者实施热处理而使晶粒直径粗化而减小有效扩散系数的粗晶粒直径材料构成。

此时，回转器10的外壳11以及旋转机构中至少旋转机构的叶轮12以及输出轴13a，能够使用使熔融金属从一个方向凝固进行单晶化而减小有效扩散系数的单晶材料。

在该实施例的回转器10中，即使在一次冷却氦中内含有在高温气体炉1内产生的核裂变产物、因堆芯构造材料腐蚀而产生的放射性腐蚀产物等放射性核素，并被导入至外壳11的内部，与旋转机构的叶轮12以及输出轴13a接触并且附着，由于旋转机构的叶轮12以及输出轴13a由有效扩散系数比多晶合金(普通晶粒直径材料)小的粗晶粒直径材料、单晶材料构成，因此能够将放射性核素扩散浸透至旋转机构的旋转翼以及翼轴的深层的情况抑制为较少。

其结果，能够实现维护成本的降低，此外，由于旋转机构的叶轮12以及输出轴13a几乎不被放射性核素污染，因此能够减少设施解体时的放射性废弃物的量。

因此，在对回转器10的旋转机构的叶轮12以及输出轴13a使用了多晶合金(普通晶粒直径材料)的情况下的放射性核素含量、与使用了上述粗晶粒直径材料的情况下的放射性核素含量进行比较后，如图3的曲线图所示，可知在使用了多晶合金(普通晶粒直径材料)的情况下，放射性核素从表面扩散浸透至深处，与此相对，在使用了粗晶粒直径材料的情况下，放射性核素不扩散浸透至深层。

特别是在使用了有效扩散系数降低至多晶合金(普通晶粒直径材料)的1/100的单晶材料的情况下，可知深层的放射性核素含量降低至1/10。

因此能够证实：在该实施例的回转器10中，能够防止放射性核素向旋转机构的叶轮12以及输出轴13a的深层扩散浸透。

在上述的实施例中，示出了旋转机构的叶轮12以及输出轴13a由有效扩散系数比多晶合金(普通晶粒直径材料)小的粗晶粒直径材料、单晶材料构成的情况，但作为其他实施例，旋转机构的叶轮12以及输出轴13a，除了能够使用将比Ni的晶格扩散系数小的元素添加于Ni而成的晶格扩散系数降低材料之外，作为又一其他实施例，还能够使用包含将减小有效扩散系数而成的单晶材料的粗晶粒直径材料、与将比Ni的晶格扩散系数小的元素添加于Ni而成的晶格扩散系数降低材料组合后的材料。

因此，在对回转器10的旋转机构的叶轮12以及输出轴13a使用了多晶合金(普通晶粒直径材料)的情况下的放射性核素含量、与使用了上述其他实施例中的晶格扩散系数降低材料的情况下的放射性核素含量进行比较后，如图4的曲线图所示，可知在使用了多晶合金(普通晶粒直径材料)的情况下，放射性核素从表面扩散浸透至深处，与此相对，在使用了晶格扩散系数降低材料的情况下，放射性核素不扩散浸透至深层。

因此，能够证实：即使在该实施例的回转器10中，也能够防止放射性核素向旋转机构的叶轮12以及输出轴13a的深层扩散浸透。

在上述的实施例中，虽然列举采用本发明的原子能设施的旋转设备为原子能电站的回转器的情况为例进行了说明，但不限定于此，也能够采用为核燃料再处理设施、燃料加工设施中的离心式的回转器(泵)、轴流式的回转器(泵)、汽轮机(Steam turbine)、燃气轮机(Gas turbine)、气体压缩机(Gas compressor)。

另外，在上述的实施例中，虽然形成为仅旋转机构的叶轮12以及输出轴13a采用了比多晶合金的有效扩散系数小的低有效扩散系数合金的结构，但不限定于此，作为其他结构，也可以在外壳11使用比多晶合金的有效扩散系数小的低有效扩散系数合金。

本发明的原子能设施的旋转设备的结构，不限定于上述的实施例的结构，例如，旋转机构的旋转翼也可以是叶片，除此之外，也可以在旋转机构中包括涡轮圆盘、轴承、密封部件。

本发明的第一方式是一种原子能设施的旋转设备，配置于原子能设施的内含放射性核素的冷却流体的循环路内，具备：外壳；以及旋转机构，其在所述外壳内具备：与经过所述外壳的内部的内含所述放射性核素的冷却流体接触的旋转翼以及翼轴，所述外壳以及所述旋转机构中至少所述旋转机构的所述旋转翼及所述翼轴，由比多晶合金的有效扩散系数小的低有效扩散系数合金构成。

在本发明的第二方式中，所述低有效扩散系数合金是包含使所述多晶合金的晶粒直径粗化而减小有效扩散系数而成的单晶材料的粗晶粒直径材料。

在本发明的第三方式中，所述低有效扩散系数合金是将比Ni的晶格扩散系数小的元素添加于Ni而成的晶格扩散系数降低材料。

在本发明的第四方式中，所述低有效扩散系数合金是将包含使所述多晶合金的晶粒直径粗化而减小有效扩散系数而成的单晶材料的粗晶粒直径材料、与将比Ni的晶格扩散系数小的元素添加于Ni而成的晶格扩散系数降低材料组合后的材料。

在本发明的原子能设施的旋转设备中，在原子能设施中，除了具备原子反应堆的原子能电站之外，还包括核燃料再处理设施、燃料加工设施。

另外，在本发明的原子能设施的旋转设备中，旋转设备除了离心式的回转器(泵)、轴流式的回转器(泵)之外，还包括汽轮机、燃气轮机、气体压缩机。

此外，在本发明的原子能设施的旋转设备中，内含放射性核素的冷却流体能够使用氦、水、钠。

在本发明的原子能设施的旋转设备中，例如，即使在原子反应堆内产生的核裂变产物、因堆芯构造材料腐蚀而产生的放射性腐蚀产物等放射性核素内含于冷却流体，并被导入至外壳的内部，与旋转机构的旋转翼以及翼轴接触并且附着，由于外壳以及旋转机构中至少旋转机构的旋转翼以及翼轴，由比多晶合金(普通晶粒直径材料)的有效扩散系数小的低有效扩散系数合金构成，因此也能够将放射性核素扩散浸透至旋转机构的旋转翼以及翼轴的深层的情况抑制为较少。

此外，由于外壳以及旋转机构中至少旋转机构的旋转翼以及翼轴几乎不被放射性核素污染，因此能够减少设施解体时的放射性废弃物的量。

附图标记说明：1...高温气体炉；2...一次冷却回路(循环路)；10...回转器(旋转设备)；11...外壳；12...叶轮(旋转翼)；13...马达；13a...输出轴(翼轴)。