特開 2022-175114 原子力発電所用電線、および、原子力発電所用ケーブル

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022175114

(43)【公開日】2022-11-25

(54)【発明の名称】原子力発電所用電線、および、原子力発電所用ケーブル

(51)【国際特許分類】

   H01B 7/295 20060101AFI20221117BHJP

   H01B 9/00 20060101ALI20221117BHJP

【ＦＩ】

H01B7/295

H01B9/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021081273

(22)【出願日】2021-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000005083

【氏名又は名称】日立金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】井戸沼 正倫

(72)【発明者】

【氏名】清水 政之

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 進

(72)【発明者】

【氏名】割ヶ谷 篤志

(72)【発明者】

【氏名】木村 健太

【テーマコード（参考）】

5G315

【Ｆターム（参考）】

5G315CA02

5G315CB02

5G315CC08

5G315CD07

(57)【要約】

【課題】ＳＡ発生時にも絶縁性能の保持が可能な原子力発電所用電線、および、原子力発電所用ケーブルを提供する。
【解決手段】シビアアクシデントが発生したときにも動作可能な機器に接続される配線材として使用されるケーブル１００であって、長尺状に形成された導電性を有する導体１１、および、四フッ化エチレンを成分として含む重合体を用いて形成され、導体１１の周囲を被覆する絶縁体１３から構成された複数の電線１０，１０と、複数の電線１０，１０の周囲を被覆するシース１０５と、が設けられる。四フッ化エチレンを成分として含む重合体で形成された絶縁体１３を用いることで、ケーブル１００が曝露試験後に基準で定める絶縁抵抗値を保持すること、および、所望の耐電圧試験に耐えることができる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シビアアクシデントが発生したときにも動作可能な機器に接続される配線材として使用される電線であって、
長尺状に形成された導電性を有する導体と、
四フッ化エチレンを成分として含む重合体を用いて形成され、前記導体の周囲を被覆する絶縁体と、
が設けられる原子力発電所用電線。

【請求項2】

シビアアクシデントが発生したときにも動作可能な機器に接続される配線材として使用されるケーブルであって、
長尺状に形成された導電性を有する導体、および、四フッ化エチレンを成分として含む重合体を用いて形成され、前記導体の周囲を被覆する絶縁体から構成された複数の電線と、
前記複数の電線の周囲を被覆するシースと、
が設けられる原子力発電所用ケーブル。

【請求項3】

前記シースは、前記四フッ化エチレンを成分として含む重合体を用いて形成された請求項２記載の原子力発電所用ケーブル。

【請求項4】

２３５℃の雰囲気中で１０分暴露させた後に２００℃の雰囲気中で１６８時間暴露させる蒸気暴露試験中の絶縁抵抗の値が１×１０^６Ω以上である請求項２または３に記載の原子力発電所用ケーブル。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、原子力発電所用電線、および、原子力発電所用ケーブルに関する。

【背景技術】

【0002】

原子力発電所や、核燃料再処理施設など（以下「原子力発電所等」とも表記する。）で使用される電線やケーブル（以下「ケーブル等」とも表記する。）として、耐放射線性を有するケーブル等が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平４－３２５７０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

原子力発電所等で使用されるケーブル等には、上述の耐放射線性の他に絶縁性能も求められる。原子力発電所で使用されるケーブル等の場合には、原子力発電所の商用運転期間に事故が発生したときにも所望の絶縁性能を保つことが求められる。具体的には、国が定める安全基準を満たすことが求められる。

【0005】

２０１１年の東日本大震災時の福島第１原子力発電所で発生したような原子炉の燃料が重大な損傷を受けるなど、原子力発電所の設計時の想定規模を大きく超える重大事故では、それまで国が定めていた安全基準（以下、旧安全基準とも表記する。）を超える過酷な条件が発生していた。

【0006】

そこで、福島第１原子力発電所で発生したような上記重大事故または同程度の重大事故（以下、シビアアクシデント、または、ＳＡとも表記する。）が発生した場合であっても、ケーブル等が所望の絶縁性能を保つことを示す新たな安全基準（以下、新安全基準とも表記する。）が原子力規制委員会等によって定められた。

【0007】

新たな安全基準では、所望の絶縁性能として、後述する耐環境試験後のケーブル等が基準で定める絶縁抵抗値を保持、および、所望の耐電圧試験に耐えることが求められる。上述の耐環境試験としては、ケーブル等を２３５℃の雰囲気中に１０分間曝露し、その後２００℃の雰囲気中に１６８時間（７日間）曝露する蒸気曝露試験（沸騰水型原子炉の場合）を例示することができる。所望の耐電圧試験としては、日本工業規格（以降、ＪＩＳとも表記する。）、電気用品安全法、ＩＥＥＥ（Institute of Electrical and Electronics Engineers）などで規定する試験を例示することができる。

【0008】

稼働または再稼働する原子力発電所では、シビアアクシデントが発生したときにも原子炉格納容器内の事故雰囲気環境下において動作可能で、シビアアクシデント等に対処するために必要な機器（例えば、水位計、測温抵抗体、熱電対、放射線監視モニタなど）が用いられている。このような機器に接続され、機器へ電力を供給する機能や、機器を監視・制御するための信号を伝送する機能を有する配線材として、新安全基準で示された上述の絶縁性能を満たすケーブル等を用いることが求められている。しかしながら、従来の原子力発電所用ケーブル等では、旧安全基準で示された絶縁性能を満たしても、新安全基準で示された上述の絶縁性能を満たしていないという問題があった。

【0009】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ＳＡ発生時にも絶縁性能の保持が可能な原子力発電所用電線、および、原子力発電所用ケーブルを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様に係る原子力発電所用電線は、シビアアクシデントが発生したときにも動作可能な機器に接続される配線材として使用される電線であって、長尺状に形成された導電性を有する導体と、四フッ化エチレンを成分として含む重合体を用いて形成され、前記導体の周囲を被覆する絶縁体と、が設けられる。

【0011】

本発明の第２の態様に係る原子力発電所用ケーブルは、シビアアクシデントが発生したときにも動作可能な機器に接続される配線材として使用されるケーブルであって、長尺状に形成された導電性を有する導体、および、四フッ化エチレンを成分として含む重合体を用いて形成され、前記導体の周囲を被覆する絶縁体から構成された複数の電線と、前記複数の電線の周囲を被覆するシースと、が設けられる。

【0012】

本発明の第１の態様に係る原子力発電所用電線、第２の態様に係る原子力発電所用ケーブルによれば、四フッ化エチレンを成分として含む重合体で形成された絶縁体を用いることで、電線またはケーブルがＳＡに基づいて条件が定められた曝露試験中および試験後に基準で定める絶縁抵抗値１×１０^６Ωを保持することができる。また、所望の耐電圧試験に耐えることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明の原子力発電所用電線、および、原子力発電所用ケーブルによれば、四フッ化エチレンを成分として含む重合体で形成された絶縁体を用いることにより、ＳＡ発生時にも絶縁性能の保持が可能になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態に係る電線の構成の横断面視図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るケーブルの構成の横断面視図である。

【図3】本発明の他の実施形態に係るケーブルの構成の横断面視図である。

【図4】従来のケーブルの構成の横断面視図である。

【図5】従来のケーブルの他の構成の横断面視図である。

【図6】図２のケーブル１００における評価結果について説明する表である。

【図7】図４ケーブル１００における評価結果について説明する表である。

【図8】図５ケーブル１００における評価結果について説明する表である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

この発明の一実施形態に係る原子力発電所用電線１０（以下、単に「電線１０」とも表記する。）、および、原子力発電所用ケーブル（以下、単に「ケーブル１００」とも表記する）について、図１から図８を参照して説明する。本実施形態の電線１０およびケーブル１００は、放射線環境下、特に原子力発電所で使用されるものである。なお、電線１０およびケーブル１００は、高速増殖炉、核燃料再処理施設、および、粒子加速施設などの他の放射線環境下で使用されてもよい。

【0016】

図１は、本発明の一実施形態に係る電線１０の構成を説明する横断面視図である。電線１０には、図１に示すように、導体１１と、セパレータ１２と、絶縁体１３と、が設けられている。

【0017】

導体１１は、長尺状に形成された導電性を有する部材である。本実施形態では、導体１１が錫めっき軟銅線からなる素線を用いて形成された例に適用して説明する。なお、導体１１は、純銅線などの公知の導電性を有する材料から形成されてもよい。また、導体１１は、複数本の素線（例えば、錫めっき軟銅線）を同心撚りまたは集合撚りによって撚り合わされて形成されたものであるとよい。

【0018】

セパレータ１２は、導体１１と絶縁体１３との間に層状に設けられた部材である。セパレータ１２は、電線で用いられる公知の材料から形成された部材である。本実施形態では、電線１０にセパレータ１２が設けられた例に適用して説明する。なお、セパレータ１２は、導体１１の断面積に応じて設けられなくてもよい。その場合、電線１０は、導体１１と絶縁体１３とが接触する構造を有する。

【0019】

絶縁体１３は、導体１１の周囲を被覆する絶縁性を有する部材である。絶縁体１３は、四フッ化エチレンを成分として含む重合体からなる。より具体的には、絶縁体１３は、以下の化学式で示される四フッ化エチレンとポリオレフィンとで構成された架橋型の共重合体からなる。なお、下記の化学式においてＸはポリオレフィンである。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、および、ポリプロピレンが挙げられる。Ｘがポリプロピレンである架橋型の共重合体としては、例えば、フロンレックス（登録商標：日立金属株式会社）が挙げられる。本実施形態では、絶縁体１３が下記の化学式で示される架橋型の共重合体のうち、ポリオレフィンがポリプロピレンである共重合体を用いて形成された例に適用して説明する。

【0020】

【化1】

【0021】

本実施形態では、絶縁体１３が単層で形成されている例に適用して説明する。なお、絶縁体１３は多層構造を有してもよい。

【0022】

図２は、本発明の一実施形態に係るケーブル１００の構成を説明する横断面視図である。ケーブル１００には、図２に示すように、撚り線１０１と、テープ部材１０３と、シース１０５と、が設けられている。

【0023】

撚り線１０１は、導体１１、セパレータ１２および絶縁体１３を有する２本の電線１０が介在１０２とともに撚り合わされた二芯撚り線である。介在１０２としては、ゴム等からなる紐を用いることができる。なお、撚り線に含まれる電線１０は２本であってもよいし、３本以上であってもよい。また、導体１１が複数本の素線を撚り合わせして形成されている場合、撚り線１０１の撚り方向は、導体１１を構成する複数本の素線の撚り方向と同じ撚り方向であるとよい。この場合、撚り線１０１の撚りピッチは、複数本の撚りピッチよりも大きいことがよい。

【0024】

テープ部材１０３は、撚り線１０１の周囲に配置される部材であり、撚り線１０１に外周面に巻き付けられる部材である。テープ部材１０３としては、公知の材料から形成された部材を用いることができる。また、テープ部材１０３は、撚り線１０１の撚り方向と同じ撚り方向で巻き付けられているとよい。

【0025】

シース１０５は、テープ部材１０３の周囲に配置される部材であり、撚り線１０１およびテープ部材１０３を被覆する部材である。本実施形態では、シース１０５が酸化防止剤およびクロロプレンゴムを含むクロロプレンゴム組成物を用いて形成された例に適用して説明する。クロロプレンゴム組成物に含まれる酸化防止剤は、蒸気暴露試験中に吸水しにくく、当該吸水によって蒸気暴露試験で測定される絶縁抵抗の測定値が判定閾値未満とならないものが用いられる。

【0026】

本実施形態では、シース１０５が単層で形成されている例に適用して説明する。なお、シース１０５は多層構造を有してもよい。

【0027】

図３は、本発明の他の実施形態に係るケーブル１００Ａの構成の横断面視図である。図３に示すケーブル１００Ａは、シース１０５Ａが以下の化学式で示される四フッ化エチレンとポリオレフィンとで構成された架橋型の共重合体を用いて形成されたものである点で図２のケーブル１００と相違している。ケーブル１００Ａの他の各構成については、図２のケーブル１００と共通する。本実施形態では、シース１０５Ａが、以下の化学式で示される四フッ化エチレンとポリオレフィンとで構成された架橋型の共重合体のうち、ポリオレフィンがポリプロピレンからなる共重合体を用いて形成された例に適用して説明する。

【0028】

【化2】

【0029】

なお、上記の化学式においてＸはポリオレフィンである。ポリオレフィンとしては、ポリエチレン、および、ポリプロピレンが挙げられる。

【0030】

ケーブル１００Ａでは、シース１０５Ａが四フッ化エチレンを成分として含む重合体（すなわち、上記の化学式で示される架橋型の共重合体）からなることにより、クロロプレンゴム組成物からなるシース１０５と比較して、ケーブルが燃焼したときにシースから発生するガス（例えば、塩素ガス）の量を低減することができる。塩素ガスなどのガスを低減できることにより、ケーブル１００Ａに接続される機器を構成する金属が腐食することを抑制することができる。

【0031】

次に、上記の構成からなるケーブル１００における評価結果について説明する。評価結果の比較のために、従来の構成を有するケーブル１００Ｘ、および、ケーブル１００Ｙの構成を、図４および図５にそれぞれ示す。

【0032】

ケーブル１００Ｘには、図４に示すように、撚り線１０１Ｘと、テープ部材１０３と、シース１０５Ｘと、が設けられている。
撚り線１０１Ｘは、導体１１および絶縁体１３Ｘを有する２本の電線１０Ｘが介在１０２とともに撚り合わされた二芯撚り線である。

【0033】

絶縁体１３Ｘは、導体１１の周囲を被覆する絶縁性を有する部材である。本実施形態では、絶縁体１３Ｘは難燃剤とエチレンプロピレンゴムとを含む組成物を用いて形成されている。介在１０２としては、ゴム等からなる紐を用いることができる。

【0034】

シース１０５Ｘは、テープ部材１０３の周囲に配置される部材であり、撚り線１０１Ｘおよびテープ部材１０３を被覆する部材である。本実施形態では、シース１０５Ｘがクロロプレンゴムを用いて形成された例に適用して説明する。

【0035】

ケーブル１００Ｙには、図５に示すように、撚り線１０１Ｙと、テープ部材１０３と、シース１０５とが設けられている。
撚り線１０１Ｙは、導体１１および絶縁体１３Ｙを有する２本の電線１０Ｙが介在１０２とともに撚り合わされた二芯撚り線である。

【0036】

絶縁体１３Ｙは、導体１１の周囲を被覆する絶縁性を有する部材である。本実施形態では、絶縁体１３Ｙは酸化防止剤と難燃剤とエチレンプロピレンゴムとを含むエチレンプロピレンゴム組成物を用いて形成されている。エチレンプロピレンゴム組成物に含まれる酸化防止剤は、蒸気暴露試験中に吸水しにくく、当該吸水によって蒸気暴露試験で測定される絶縁抵抗の測定値が判定閾値未満とならないものが用いられる。介在１０２としては、ゴム等からなる紐を用いることができる。

【0037】

耐環境試験の評価では、まず、ケーブル１００、ケーブル１００Ｘ、および、ケーブル１００Ｙ（以下「ケーブル等」とも表記する。）に経年劣化および放射線劣化を与える。

【0038】

本実施形態では、長さ５ｍのケーブル１００に１００℃の熱と１００Ｇｙ／ｈのγ線とを同時に印加し、常時運転温度が６６℃としたときのアレニウスの式（アレニウスの法則）に基づく加速試験を行うことによって４０年劣化相当の経年劣化および放射線劣化を与えた４０年劣化相当品を得た。

【0039】

また、比較対象である長さ５ｍのケーブル１００Ｘ、および、長さ５ｍのケーブル１００Ｙでは、ケーブル１００と同じ条件で加速試験を行うことにより、４０年劣化相当の経年劣化および放射線劣化を与えた４０年劣化相当品を得た。

【0040】

経年劣化および放射線劣化を与えた後、ケーブル等を２３５℃の雰囲気中に１０分間曝露し、その後２００℃の雰囲気中に１６８時間（７日間）曝露する蒸気曝露試験（沸騰水型原子炉の場合）を行う。蒸気曝露試験中および蒸気曝露試験後においてケーブル等の絶縁抵抗の測定を行う。また、蒸気曝露試験後に耐電圧試験を行う。

【0041】

絶縁抵抗の測定値、および、耐電圧試験の結果の全てが良または合格である場合に、ケーブル等に６００Ｖ、３Ａの通電が可能と判断する。すなわち、シビアアクシデントが発生したときにも新たな安全基準を満たすものと判断する。１つでも不良または不合格がある場合には、ケーブル等に６００Ｖ、３Ａの通電が不可能と判断する。

【0042】

ここでは、新たな安全基準を満たすことを評価する指標として、１×１０^６Ω（１ＭΩ）を絶縁抵抗の測定値の判定閾値とした。耐電圧試験では、ＪＩＳ Ｃ３６２１に定められた条件と、ＩＥＥＥ－３８３に定められた条件と、電気用品安全法（以下「電安法」とも表記する。）に定められた条件と、を用いている。

【0043】

なお、絶縁抵抗の判定閾値に関して、今回の評価では、原子炉格納容器内に配線されるケーブルの長さが１００ｍとしたときに、ＳＡの発生時に当該ケーブルに接続された機器が動作可能であるとされているケーブルの絶縁抵抗（０．１ＭΩ）に基づいて、ケーブルの長さが５ｍのときの絶縁抵抗が少なくとも１ＭΩあれば、長さが５０ｍのケーブルに接続された機器がＳＡの発生時においても動作可能であるとみなすことができるとして評価した。

【0044】

また、新たな安全基準を満たすことを評価するために、次の耐電圧試験を行った。ＪＩＳ Ｃ３６２１に基づく耐電圧試験では、試験電圧１５００Ｖまで速やかに電圧を上昇させ、１分間耐えるか評価を行う。ＩＥＥＥ－３８３に基づく耐電圧試験では、試験電圧２５６０Ｖまたは試験電圧３０００Ｖまで速やかに電圧を上昇させ、５分間耐えるか評価を行う。電安法に基づく試験電圧では、ケーブル１００において、試験電圧３０００Ｖまで速やかに上昇させ、１分間耐えるか評価を行った。

【0045】

図６は、上記の構成からなるケーブル１００における評価結果について説明する表である。ケーブル１００は、４０年劣化相当品においても、蒸気曝露試験中および蒸気曝露試験後の絶縁抵抗の測定値が１×１０^６Ω（１ＭΩ）以上を保ち良（合格）と判定された。

【0046】

さらに、耐電圧試験では、安全法およびＩＥＥＥのいずれの規格に基づく試験においても良（合格）と判定された。なお、ケーブル１００に対する試験電圧は、安全法およびＩＥＥＥのいずれの規格に基づく試験でも３０００Ｖを採用している。以上から、ケーブル１００は、４０年劣化相当であっても蒸気曝露試験中および蒸気曝露試験後に６００Ｖ、３Ａの通電が可能と判断された。

【0047】

ケーブル１００Ａは、ケーブル１００のシース１０５がシース１０５Ａに変更されたものである。ケーブル１００Ａでは、シース１０５Ａがシース１０５よりも耐熱性および耐放射線性が高いため、ケーブル１００よりも耐性が高いと考えられ、ケーブル１００Ａは、４０年劣化相当であっても蒸気曝露試験中および蒸気曝露試験後に６００Ｖ、３Ａの通電が可能と判断される。

【0048】

図６における４０年劣化相当品（シースなし）は、ケーブル１００におけるシース１０５がないものである。シース１０５が無いことから、電線１０に相当すると考えられる。この４０年劣化相当品（シースなし）は、ケーブル１００と同じ条件で加速試験を行うことにより、４０年劣化相当の経年劣化および放射線劣化を与えた４０年劣化相当品としたものである。

【0049】

電線１０は、４０年劣化相当品において蒸気曝露試験中および蒸気曝露試験後の絶縁抵抗の測定値が１×１０^６Ω以上を保ち良（合格）と考えられる。さらに、耐電圧試験では、電安法およびＩＥＥＥのいずれの規格に基づく試験においても良と考えられる。

【0050】

以上から、電線１０は、４０年劣化相当において蒸気曝露試験中および蒸気曝露試験後に６００Ｖ、３Ａの通電が可能と考えられる。

【0051】

図７は、上記の構成からなるケーブル１００Ｘにおける評価結果について説明する表である。図８は、上記の構成からなるケーブル１００Ｙにおける評価結果について説明する表である。

【0052】

ケーブル１００Ｘは、図７に示すように、４０年劣化相当品において、蒸気曝露試験中の絶縁抵抗の値が０．２５ＭΩ（判定閾値未満）であった。また、ＪＩＳに基づく耐電圧試験において否（不合格）と判定された。ケーブル１００Ｘに対する試験電圧は、ＪＩＳに基づく耐電圧試験において１５００Ｖを採用している。なお、図７に示すＩＥＥＥに基づく耐電圧試験では、試験電圧が２５６０Ｖになるが、ＪＩＳに基づく耐電圧試験において、試験電圧１５００Ｖを印加した場合に不合格との結果であったため、ＩＥＥＥに基づく耐電圧試験を実施しなかった。そのため、図７では、「実施せず」と表記した。

【0053】

以上から、ケーブル１００Ｘは、４０年劣化相当であっても蒸気曝露試験中および蒸気曝露試験後に６００Ｖ、３Ａの通電が不可能と判定された。

【0054】

ケーブル１００Ｙは、図８に示すように、４０年劣化相当品において、蒸気曝露試験中の絶縁抵抗の値が０．２５ＭΩ（判定閾値未満）であった。また、ＪＩＳおよびＩＥＥＥに基づく耐電圧試験において良と判定された。ケーブル１００Ｘに対する試験電圧は、ＪＩＳに基づく耐電圧試験において１５００Ｖを採用し、ＩＥＥＥに基づく耐電圧試験において２６６０Ｖを採用した。

【0055】

以上から、ケーブル１００Ｙは、４０年劣化相当であっても蒸気曝露試験中および蒸気曝露試験後に６００Ｖ、３Ａの通電が不可能と判定された。

【0056】

上記の構成の電線１０、ケーブル１００およびケーブル１００Ａによれば、四フッ化エチレンを成分として含む重合体（特に、上記の化学式で示される架橋型の共重合体のうち、ポリオレフィンがポリプロピレンからなる共重合体）で形成された絶縁体１３を用いることで、電線１０、ケーブル１００およびケーブル１００Ａが曝露試験後に基準で定める絶縁抵抗値を保持すること、および、所望の耐電圧試験に耐えることができる。

【0057】

ケーブル１００Ａのシース１０５Ａを、四フッ化エチレンを成分として含む重合体（特に、上記の化学式で示される架橋型の共重合体のうち、ポリオレフィンがポリプロピレンからなる共重合体）で形成することにより、ケーブル１００Ａが曝露試験後に基準で定める絶縁抵抗値をさらに保持しやすくなり、所望の耐電圧試験に更に耐えやすくなる。

【符号の説明】

【0058】

１０…原子力発電所用電線、 １１…導体、 １３…絶縁体、 １００，１００Ａ…原子力発電所用ケーブル、 １０５，１０５Ａ…シース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】