タービンの振動が大きくなってタービンが停止、原子炉が自動停止した。タービンケースを開けて調べたところ、3つ直列に並んだ低圧タービンの中央に位置する低圧タービンBの第12段の羽根が1枚脱落しているのが見つかった。中部電力では、同タービン、及び同型の他の2つのタービンも目視、非破壊検査を行ったところ、12段の羽根及びその取り付け部にひびや傷を発見した。2号機でも12段目に損傷が見つかった。タービン羽根に修理を施し、現在90%程度に出力を落として運転している。(ABWR)で、単一の原子炉では現在、国内最大のものである。志賀原発2号機運転差止判決”に詳しく紹介している。以下表1に浜岡5号機の主な諸元を示す。1,800rpm沸騰水型原子炉による発電の原理を図2に示す。運転中の原子炉には常に水が供給され(給水)、炉で熱せられて蒸気となる。蒸気はタービンに導かれ、羽根に当たってタービンロータ(図中タービン側緑色の部分)を回転させる。タービンの軸は車軸と呼ばれ、発電機の軸に連結されており、発電機の回転子を回転させて電力を発生する。発電の原理タービンの羽根を回転させた蒸気は復水器に導かれて冷やされ、水となって再び原子炉に供給される。タービン内蒸気の一部は抽出されて(抽気)給水過熱器に送られ、給水を暖める。図3は浜岡5号機のタービン配置である。上流から高圧、低圧A、低圧B、低圧Cの4つのタービンが直列に配置されている。制御システムにより自動的に閉じられる。図4は、浜岡5号機タービンの1から14までの段がどのように配置されているかを示す。図5には、各低圧タービンの内部構造を模式的に示している。6本の抽気管は図の位置に取り付けられていた。格段のタービン羽根は、動かない静翼(固定翼)と、回転翼(動翼)が対向する形になっている。蒸気がタービンに吹き込むと左右に分かれ、静翼で回転方向に吹き付け方向が曲げられる。動翼はそれを受けて回転する。タービンの1枚1枚の羽根は、それぞれ加工され、車軸に固定される部分は歯の根のようなフォークという形状が作られる。一方の車軸側にはそれと合わさるフォークが削り込まれる。両者を噛み合わせたところで、ピンを複数本挿入してがっちりと固定する。羽根の先端もシュラウドと呼ばれるリング状の部材に固定されていた。タービンの振動が大きくなってタービンが停止、原子炉が自動停止した。原子力発電所のタービンは、不具合が発生したからといってすぐにカバーを剥ぐって中を見るわけにはいかない。低圧タービンBの発電機側第12段のタービン羽根が一枚脱落し、車室とよばれるタービンのケース下部に落ちているのが見つかった。その羽根が付いていた部分の周りにも損傷が認められた。(検査羽根数5,858本、うち第12段は840)。北陸電力に同じ型式のタービンを使用している2号機について、検査を指示した。6月30日のことである。中部電力では、663枚の羽根でひび割れが見つかった。全て第12段の羽根であった。設計者が想定しなかった蒸気流が発生、タービン羽根に繰返し応力が作用した。この繰返し応力がタービン羽根材料の疲労限界を越え、根元部分にひび割れが発生した。一気に割れて脱落した。強度計算に想定しなかった蒸気流は以下2つである。制御系がタービンへの蒸気流を遮断する。給水過熱器から抽気管を通って蒸気がタービンに逆流する。これをフラッシュバック流と呼んでいる。タービン設備は日立製作所が一式を担当し、同社にとっては初のABWR用タービンであった。浜岡4号機では約109センチだった第14段のタービン最大翼を132センチに伸ばすなど、タービンを大型化した。図8は第12段が破損した浜岡5号機低圧タービンのロータである。4段この大型化により、車室数を増やさず、全長もほぼ変わらないまま出力を20%あまり大きくすることに成功した。表2は浜岡4号機と5号機の主な諸元比較表である。Nozzle)も一役買っている。図8の第14段をよく見ると、タービン羽根がまっすぐではなく、わずかに湾曲しているのがわかる。参考文献4にはこの浜岡5号機タービンの開発経緯が説明されており、AVNの美しいフォルムを従来型と比較した写真が掲載されている。図9にそれをトレースした図を掲載するが、読者は是非参考文献4を見てみられるといいだろう。このように、今回タービン羽根にひび割れが発生、1枚が脱落に至った間接原因に新しい技術への挑戦が挙げられる。浜岡5号機の低圧タービンBの羽根が脱落し、タービンの異常振動が検知され、原子炉が自動停止した。同型のタービンを使用している北陸電力志賀2号機にも検査を6月30日に指示。同機は7月4日に停止を開始し、翌5日に停止。他のタービンや同タービンの他段では問題ないとされた。試験が行われることは想像に難くない。動翼が取り付いていて損傷を受けた車軸は接合部を削り取り、圧力プレート(整流板)を取り付けた。この整流板は、元々あった静翼列の羽根の隙間を埋めたものとほぼ同じ形状のドーナツ状である。蒸気がこの圧力プレートを通過する際の圧力降下が、元の静翼・動翼があった時と同じになるように設計されている。上流の蒸気流れに乱れがあっても、この圧力プレートを通ることにより、強制的に平行流にするものである。この圧力プレート形状については、参考文献1.6と6.4に詳しい。この圧力プレートにより、浜岡5号機は1380MWから8%減の1267MW、志賀2号機は1358MWから11%減の1206MWで現在運転中である。今後の設計に関する対策が記されていた。今後の設計に関する部分は以下のように要約される。新たな羽根の設計では、実機大モデル回転試験、縮小モデル試験等を行う。設計検証では、メーカにおいてモデル試験の適用範囲を精査する。事業者は、メーカに対し設計変更に係る検証強化を指示し、メーカに対する監査を強化する。そのため、事業者内でも設計管理に関する教育を行う。事業者は、蒸気タービン運転中の異常な兆候を早期検出するための研究を進める。今までになかった新しい物に挑戦した結果である。これまでに作ったことのないこの大きさを経験したのは初めてであった。モデルを製作して検証実験をもっと行うべきというものであった。ウルトラマンシリーズなどに見られる昔の特撮シーンを思い出して見よう。嵐や怪獣が暴れて海が大荒れ、浮かんだ船があわや転覆しそうになるシーンだ。それを水槽に浮かべて波を起こし、拡大撮影をすると、見ている方からは違和感がある。現れる波の形が実物とは全く違うからだ。このように、熱流体の小型模型実験をもって実物で起こる物理現象を予測しようとするのはかなり難しい。自動車の設計では最後に実物大のクレイモデルが用意され、飛行機でも実物大の風洞実験が行われるのはそのためである。NCによる加工技術の向上により、図9のようなタービン羽根を加工することが可能になってきた。解析によって性能が向上するような形状を実現した。日立製作所による新しいタービン技術への挑戦は賞賛されるものだと筆者は思う。その逆に状態が移行すること)のシステム応答に対する事前の検討が不足していたようだ。一度、表2を見てみよう。低圧7段と1段低圧タービンから高圧タービンにシフトしている。高圧1台に対して低圧3台あるのだから、2段分減らしたことになる。羽根段と抽気管の配置が違っていたことになる。先に述べたようにタービンロータは半径方向に20%大きくなっていた。それによる機械構成部品の応答を解析しなければならなかったということだろう。定常状態から蒸気を遮断したときのフラッシュバック流を突き止めたのはコンピュータシミュレーションだった。その振動応力はどの程度の大きさで、どのようなサイクルで作用したと思われるのか、筆者はついに見つけることができなかった。大事な情報と思うがそれが示されていないのは非常に残念である。熱流体が関係する設計では、実際の現象が設計の予想から外れた場合、破壊的な力が発生することがある。このような機械の設計では、実物大モデルで挙動を確認して、安全な品質を確保したい。