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原子炉圧力容器(RPV: Reactor Pressure Vessel)は原子炉冷却材圧力バウンダリを構成する重要機器の1つであり、中性子照射等に伴う高経年化を考慮した構造健全性確保が極めて重要である。国立研究開発法人日本原子力研究開発機構(JAEA: Japan Atomic Energy Agency)では、RPVの構造健全性評価に関する研究の一環として、確率論的破壊力学(PFM: Probabilistic Fracture Mechanics)解析コードPASCAL(PFM Analysis of Structural Components in Aging LWR)の開発を進めている。本コードは、加圧水型軽水炉(PWR: Pressurized Water Reactor)及び沸騰水型軽水炉(BWR: Boiling Water Reactor)を対象に、影響因子が持つ不確実さを考慮し、加圧熱衝撃(PTS: Pressurized Thermal Shock)事象や低温過圧事象(LTOP: Low-Temperature Over Pressure)等の過渡によるRPVの炉心領域部の破損確率や破損頻度を求めるものである。破壊力学や確率論的計算手法等に関する最新知見や国内RPVに適した評価手法・評価モデルを踏まえ、新規解析機能の導入を進めるとともに、系統的なコード検証活動を通じて信頼性向上を図ってきた。平成12年度に公開したPASCALでは、PWRのPTS事象を対象に、RPVの破損確率を解析する基本的な枠組みを整備した。平成18年度に公開したPASCAL2では、内部亀裂の評価手法や様々な非破壊検査による亀裂の検出性に関する評価モデル等を導入し、過渡事象データベースを整備した。平成22年度に公開したPASCAL3では、肉盛溶接クラッド部に着目して、亀裂の評価機能等を改良した。平成29年度に公開したPASCAL4では、応力拡大係数解や破壊靭性の不確実さを考慮した評価モデル等の改良により解析機能の高度化を図るとともに、影響因子の不確実さを認識論的不確実さと偶然的不確実さに分類し、不確実さを考慮した信頼度評価機能等を整備した。平成30年度以降は、これまでPWRのPTS事象を対象としたRPV内面側亀裂の評価機能に加えて、BWRの起動事象、LTOP事象等を想定したRPV外面側亀裂の評価機能等の整備を進めてきた。これらの機能整備を踏まえ、国内PWR及びBWRのRPVを対象とした確率論的健全性評価に資する解析コードとして、PASCAL5へとバージョンアップした。PASCAL5はPFM解析モジュールであるPASCAL-RV、PASCAL-RVの入力データの生成やRPV炉心領域部を対象とした破損頻度の算出を行うモジュールであるPASCAL-Manager、付録として附属する簡易的な熱応力解析を, As a part of the structural integrity assessment research for aging light water reactor (LWR) components, a probabilistic fracture mechanics (PFM) analysis code PASCAL (PFM Analysis of Structural Components in Aging LWR) has been developed in Japan Atomic Energy Agency. The PASCAL code can evaluate failure probabilities and failure frequencies of core region in reactor pressure vessel (RPV) under transients by considering the uncertainties of influential parameters. The continuous development of the code aims to improve the reliability by introducing the analysis methodologies and functions base on the state-of-the-art knowledge in fracture mechanics and domestic data. In the first version of PASCAL, which was released in FY2000, the basic framework was developed for analyzing failure probabilities considering pressurized thermal shock events for RPVs in pressurized water reactors (PWRs). In PASCAL Ver. 2 released in FY 2006, analysis functions including the evaluation methods for embedded cracks and crack detection probability models for inspection were introduced. In PASCAL Ver. 3 released in FY 2010, functions considering weld-overlay cladding on the inner surface of RPV were introduced. In PASCAL Ver. 4 released in FY 2017, we improved several functions such as the stress intensity factor solutions, probabilistic fracture toughness evaluation models, and confidence level evaluation function by considering epistemic and aleatory uncertainties related to influential parameters. In addition, the probabilistic calculation method was also improved to speed up the failure probability calculations. To strengthen the practical applications of PFM methodology in Japan, PASCAL code has been improved since FY 2018 to enable PFM analyses of RPVs subjected to a broad range of transients corresponding to both PWRs and boiling water reactors, including pressurized thermal shock, low-temperature over pressure, and normal operational transients. In particular, the stress intensi

供用年数の増加に伴い、発電用軽水型原子炉圧力容器(RPV)では炉心からの中性子照射により破壊靭性が低下する、いわゆる中性子照射脆化が生じる。国内では、RPVの非延性破壊を防止するため、この中性子照射脆化や、健全性評価上最も厳しい事象の1つである加圧熱衝撃事象(PTS)を考慮して、日本電気協会規程等に基づく決定論的手法により健全性評価が行われている。一方、欧米においては、近年確率論的手法の規制への導入が進んでいる。例えば米国では、PTS評価において、確率論的手法に基づく関連温度に関するスクリーニング基準が規定されており、またそのスクリーニング基準を満足しない場合には確率論的手法に基づく亀裂貫通頻度(TWCF)を指標とした評価の実施が認められている。また、供用期間中検査の試験程度や検査間隔の緩和の検討等にも確率論的手法が適用されている。ここで、確率論的手法とは具体的には確率論的破壊力学(PFM)に基づく健全性評価手法であり、長期供用に伴う機器の経年劣化に関連する様々な因子の不確実さ等を考慮して、合理的に機器の破損確率や破損頻度等を算出できる方法である。こうした背景を踏まえ、国内のRPVに対するPFMに基づく健全性評価の実施を念頭に、国内外の最新知見や専門家の意見等を反映するとともに、主として加圧水型原子炉のRPVを対象に開発が進められたPFM解析コードPASCALの整備、及びPASCALによる感度解析等により得られた知見を取りまとめて、2017年に標準的解析要領を整備し、JAEA-Research2016-022として公開した。この標準的解析要領では、破壊力学に関する知識を有する解析担当者がこれを参照することでPFM解析を実施し、TWCF等の確率論的数値指標を算出できることを目的としている。2017年以降、PFMに基づく健全性評価の更なる実用化に向けて、日本原子力研究開発機構において、沸騰水型原子炉のRPVに対するPFM解析を可能にするため、PASCALの機能を拡充するとともに、標準的解析要領の充実化を図った。本報告はその成果をまとめたものである。本報告は、以下の5つの章で構成される。まず第1章で、本報告の背景及び概要について述べる。次に第2章で、標準的解析要領の枠組みと対象範囲について述べた後、第3章にて標準的解析要領の詳細について記述する。PASCALに対する信頼性確認事例についても同章で記す。第4章では、標準的解析要領を満足し、国内の現状の代表的事例として適切と考えられる手法, For reactor pressure vessels (RPVs) in the light water reactors, the fracture toughness decreases due to the neutron irradiation embrittlement with operating years. In Japan, to prevent RPVs from a nil-ductile fracture, deterministic fracture mechanics methods in accordance with the codes provided by the Japan Electric Association are performed for assessing the structural integrity of RPVs under the pressurized thermal shock (PTS) events by taking the neutron irradiation embrittlement into account. On the other hand, in recent years, probabilistic methodologies for PTS evaluation are introduced into regulations in the United States and some European countries. For example, in the United States, a PTS screening criterion related to the reference temperature based on the probabilistic method is stipulated. If the screening criterion is not satisfied, it is allowable to perform the evaluation based on the probabilistic method by calculating numerical index such as through-wall crack frequency (TWCF). In addition, the reduction of non-destructive examination extent or extension of examination intervals for RPV welds have been discussed based on the probabilistic method. Here, the probabilistic method is a structural integrity assessment method based on probabilistic fracture mechanics (PFM) which is rational in calculating the failure probability of components by considering uncertainties of various factors related to the aged degradation due to the long-term operation. Based on these backgrounds, we developed a PFM analysis code PASCAL and released a guideline on structural integrity assessment based on PFM by reflecting the latest knowledge and expertise in 2017. Here, the main analysis target was the RPV of pressurized water rector considering neutron irradiation embrittlement and PTS events in the structural integrity assessment of RPVs. The objective of the guideline is that persons who have knowledge on the fracture mechanics can carry out the PFM analyses and

原子炉圧力容器の加圧熱衝撃(Pressurized Thermal Shock: PTS)事象に対する構造健全性評価に与える影響項目の一つである高温予荷重(Warm Pre-stress: WPS)効果は、高温時に予め荷重を受けた場合に、冷却中の荷重減少過程では破壊が生じず、低温での再負荷時の破壊靱性が見かけ上増加する現象である。WPS効果については、主として弾性データによって再負荷時の見かけの破壊靱性を予測するための工学的評価モデルが提案されているが、試験片の寸法効果や表面亀裂に対して必要となる弾塑性評価は考慮されていない。本研究では、実機におけるPTS時の過渡事象を模擬した荷重-温度履歴を与える試験(WPS効果確認試験)を行い、WPS効果に対する試験片寸法や荷重-温度履歴の影響を確認するとともに、工学的評価モデルの検証を行った。再負荷時の見かけの破壊靭性について、予荷重時の塑性の程度が高くなると試験結果は工学的評価モデルによる予測結果を下回る傾向が見られた。比較的高い予荷重条件に対しては、塑性成分等を考慮することにより工学的評価モデルの高精度化が可能となる見通しが得られた。, Warm pre-stress (WPS) effect is a phenomenon that after applying a load at a high temperature fracture does not occur in unloading during cooling, and then the fracture toughness in reloading at a lower temperature increases effectively. Engineering evaluation models to predict an apparent fracture toughness in reloading are established using experimental data with linear elasticity. However, there is a lack of data on the WPS effect for the effects of specimen size and surface crack in elastic-plastic regime. In this study, fracture toughness tests were performed after applying load-temperature histories which simulate pressurized thermal shock transients to confirm the WPS effect. The experimental results of an apparent fracture toughness tend to be lower than the predictive results using the engineering evaluation models in the case of a high degree of plastic deformation in preloading. Considering the plastic component of preloading can refine the engineering evaluation models.