原子力発電におけるカーボングラファイトシール：主冷却ポンプから緊急システムまでの重要材料

原子力発電所はこれまでに建設された中で最も複雑な工学システムの一つです。原子炉冷却材ポンプ（RCP）、非常用炉心冷却装置（ECCS）、または格納容器貫通部のシール破損は放射性物質の漏出を招き、壊滅的な結果をもたらす可能性があります。カーボングラファイトは放射線耐性、高温耐性、化学的惰性、自己潤滑性を備え、重要な原子力シールにおいて不可欠な役割を果たしています。霍邱県华豪密封件有限公司（Huahao Sealing Co., Ltd.）はRCP一次シールを直接供給していませんが、原子力業界の基準に基づき、二次ループや補助系統向けの原子力グレードグラファイトシールをいくつか開発しています。本稿では原子力発電におけるグラファイトの用途と要求事項を概説します。

1. 原子力シールの特別要求事項

1.1 放射線耐性

一次ループ（ホウ酸水）内での長期にわたる中性子およびガンマ線照射は分子構造を破壊します。ポリマーシール（例：ゴム製Oリング）は累積線量10⁶ Gyを超えると脆化し破損します。カーボングラファイトは無機非金属材料であり、10⁹ Gyまで性能劣化がほとんど見られず、高放射線ゾーンでの材料として最適です。

グラファイトに対する主な放射線影響：

• 格子損傷：中性子照射により炭素原子が位置をずらされ結晶構造が変化します。低線量（< 10²² n/cm²）ではグラファイトはわずかに膨張し、熱伝導率が低下します。
• ウィグナーエネルギー蓄積：高温照射によりグラファイト内にエネルギーが蓄積され、アニーリングで放出する必要があります。
• 酸化：照射水中のラジカルがグラファイトの酸化を促進します。

当社では放射線誘発ガス放出を抑制するため、灰分100 ppm以下の高純度原子力グレードグラファイトを1800℃で真空脱ガス処理しています。

1.2 高温耐性

• 通常運転：290〜330℃
• 設計基準事故（DBA）：最大350℃
• 重大事故時：800℃を超える場合もある

金属含浸グラファイトは450℃で連続使用可能であり、銅含浸グレードは500℃まで耐えます。高温環境では樹脂含浸グラファイトの使用は避けてください。

1.3 化学的適合性

一次ループ媒体はホウ酸（0〜2500 ppm H₃BO₃）および水酸化リチウム（LiOH、pH 6.9〜7.4）を含む脱イオン水です。ホウ酸はグラファイトを腐食せず、低濃度のLiOHも影響を与えません。ただし、二次ループの蒸気発生器はアミン系酸素除去剤（モルホリン、シクロヘキシルアミン）に曝露される可能性があり、含浸材の適合性評価が必要です。

1.4 耐震性

地震帯に立地する発電所では、シールは安全停止地震（SSE）荷重に耐える必要があります。グラファイトシールは地震条件下での脆性破壊がないことを証明する耐震解析が求められます。

1.5 厳格なトレーサビリティ

原材料のロット番号、検査報告書、機械ID、作業者、熱処理サイクルおよび温度曲線、検査記録、証明書、梱包、出荷および設置記録など、生産の全工程にわたりトレーサビリティを確保する必要があります。

2. 典型的な用途

2.1 原子炉冷却材ポンプシール

RCPは原子炉冷却系の「心臓部」です。その軸シールは通常3段階で構成されます：

• 第1段階：静水圧シール、SiC対カーボングラファイト、15.5 MPaの一次圧力に耐える
• 第2段階：接触式メカニカルシール、カーボングラファイト対SiC
• 第3段階：微少漏れを含む補助シール

RCP用グラファイトリングの要件：

• 純度 ≥ 99.5%、灰分 ≤ 500 ppm
• 1000℃での真空脱ガス処理
• 10⁷ Gyのガンマ線照射試験
• 面の平坦度 ≤ 0.3 μm、表面粗さRa ≤ 0.05 μm

2.2 緊急炉心冷却系統

ECCSは事故時にホウ素含有水を炉心に注入します。バルブおよびポンプシールには、事故後30日間のシール保持が求められるカーボングラファイト部品が使用されます。

2.3 格納容器貫通シール

ケーブルおよび配管の貫通部には特殊なシールが用いられ、事故時にも放射性物質の漏出を防ぐためにグラファイトシールが健全な状態を保ちます。350℃かつ0.4 MPaの差圧事故試験に合格する必要があります。

2.4 二次ループ給水ポンプシール

給水ポンプは脱気脱イオン水を180〜220℃、6〜8 MPaで供給します。金属含浸グラファイトリングは8000時間以上の使用寿命を目標としています。

2.5 補助系統

• ホウ酸注入ポートシール：ホウ酸耐性
• 使用済燃料プールシール：放射線耐性
• 廃液処理シール：化学耐性
• 換気システムシール：低漏れ

3. 原子力グレードグラファイトシールの品質保証

3.1 設計段階

• RCC-M、ASME BPVC III、GB/T 16714に準拠して設計
• 有限要素応力解析および耐震解析
• 設計パッケージ：仕様書、計算書、図面

3.2 材料調達

• 認定された原子力供給業者から調達
• 材料はASTM D7219、NB/T 20007に準拠
• 各ロットに熱番号、化学成分、機械的特性報告書を付与

3.3 製造

• RCC-M FまたはASME III NBサブセクションに準拠
• 溶接工および検査員は原子力資格保有者
• 重要工程におけるホールドポイント（H）および目視検査ポイント（W）

3.4 検査および試験

• 寸法検査：重要寸法は100％検査
• 非破壊検査：浸透探傷、超音波、X線検査
• 性能試験：シール性能、耐震性、照射試験
• 型式試験：模擬使用条件下で1000時間以上

3.5 文書管理およびトレーサビリティ

• 製造完了時のドシエ（EDMF）に全生産・検査記録を収録
• 認定機関による証明書発行
• 各部品に固有のシリアル番号を付与し、使用寿命を通じて追跡可能

4. Huahao Sealingの原子力対応能力

4.1 開発済み製品

• 二次ループ給水ポンプ用グラファイトシールリング（M106D原子力グレード）
• 補助バルブ用グラファイトシールリング
• 使用済燃料プール用シール
• 緊急系統ポンプ用グラファイトブッシュ

4.2 開発中製品

• RCP第2段シール用グラファイトリング（研究パートナーと共同）
• 高温ガス炉用グラファイトシール
• 高速炉ナトリウム冷却用グラファイトシール

4.3 資格

• NB/T 20037原子力品質保証認証取得
• CNNCおよびCGNの認定サプライヤー
• 原子力資格を持つ非破壊検査技術者在籍

5. 典型的な適用事例

ある原子力発電所の二次ループ給水ポンプに、当社のアンチモン含浸グラファイトシールリングM106D-N（内径110 mm、外径140 mm、220℃、7.5 MPa）が使用されています。運転データは以下の通りです：

• 漏れ量：8 mL/h（規格 ≤ 30 mL/h）
• 摩耗率：0.02 mm/1000時間
• 累積運転時間：24,000時間
• シール面温度：周囲温度＋18℃

本製品はCNNCの評価に合格し、輸入品の代替品として採用されています。

6. トレンド

6.1 国内代替

国内の原子力建設の加速により、原子力グレードのグラファイトシールの需要が高まっています。Huahao Sealing Co., Ltd.は、国内代替を支援するために積極的に研究開発に投資しています。

6.2 小型モジュール炉（SMR）

SMRのシールは小型であり、より高い信頼性が求められるため、新しいグラファイト材料とシール構造が必要とされています。

6.3 第4世代炉

高温ガス冷却炉や高速炉はヘリウムや液体ナトリウムを媒体として使用しており、グラファイトシールに新たな課題をもたらしています。

結論

原子力グレードのカーボングラファイトシールは、安全な原子力発電所の運転に不可欠です。その設計、製造、品質保証は原子力規格に厳密に従う必要があります。Huahao Sealing Co., Ltd.は、二次ループおよび補助システム向けのシールソリューションを提供するための研究開発および生産能力を有しています。国内代替を推進するために、原子力設計研究所や機器メーカーとの深い協力を歓迎します。協力については、当社のエンジニアリングチームまでお問い合わせください。