CN1229815C - 原子能发电厂系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种原子能发电厂系统及其运行方法，其包括：原子反应堆；蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机利用上述原子反应堆压力容器中产生的蒸汽；以及分离去除装置，它设置于上述压力容器与上述蒸汽涡轮机入口之间的蒸汽通路上，将包含在液滴中的腐蚀产物俘获到表面上并使其牢固地附着，分离去除作为放射性物质的腐蚀产物；上述分离去除装置是容易俘获水滴的超亲水性物质TiO2或ZrO2。用于抑制放射性物质从原子能发电厂的压力容器转移到蒸汽系，其采用干燥器，该干燥器在波纹板的表面上，附着有在高温水条件下保持稳定的TiO2等无机离子交换物质。

Description

原子能发电厂系统
技术领域
本发明涉及一种在产生原子能和热核发电厂等放射性的系统中，减少发生转移到冷却水中的放射性物质或分离去除这些物质的方法和设备、装置。
背景技术
在原子能发电厂中，减少运行和定期检查时的核辐射是非常重要的。到目前为止，已经有减少主要含有Co-60的堆水中放射性物质浓度，或减少转移到原子反应堆水系统的放射性的对应措施，以及各种材料的对应措施，水质控制措施，和净化器的改善措施。但是，到目前为止，还没有减少转移到主蒸汽、涡轮机系统的放射性的对应措施。
下面参照图1和图2，描述解决该课题的现行原子能发电系统中蒸汽系的放射性转移机构和其占有率。
如图1所示，目前，通过堆水净化器5去除一部分在原子反应堆压力容器(下面称为“压力容器”)9内的堆芯10所生成的放射性物质。大部分所生成的放射性物质附着于饱和水循环的压力容器9内的部件、压力容器9的内壁和堆水净化器5的上游侧管线上。另外，虽然为极少的一部分，但是，由于溶解于原子反应堆的离子或分子状的放射性物质保持有蒸汽分压，故可与蒸汽一起挥发。
虽然其中大部分液滴可通过气水分离器4和干燥器3去除，但是，极少部分液滴(0.1％以下)作为飞沫，通过位于涡轮机系统入口的蒸汽阀1，给蒸汽涡轮机系统等造成污染。另外，最近，在原子反应堆停止运行时，形成温度快速降低过程，此时，在放射性较高的堆水净化器5的出口，水经过喷雾器喷嘴6形成喷雾，故飞散的液滴中所含的放射性物质转移到蒸汽系中。
下面参照图2，描述与液滴转移到蒸汽系中密切相关的干燥器(蒸汽干燥器)3中，液滴的运动过程。含有通过图1所示气水分离器4的液滴的蒸汽(湿度小于10％)通过蒸汽侵入孔20进入，并通过装有波纹板22的部位，然后通过压力容器9的顶部，送入蒸汽系管线11。质量较大的液滴会与沿波纹板结构流动的蒸汽流21一起，改变方向，但是由于惯性力，在与波纹板22碰撞时，会被波纹板22俘获，通过波纹板22的壁传递，收集于底部的排液盘24中，通过排出管25返回到堆水中。
但是，如果液滴在波纹板22之间的间隙流速较快(滞留时间较短)，则微小粒径的液滴就会不碰撞而通过。另外，如果上述流速较快，碰到波纹板22而附着于其上的液滴或放射性物质在蒸汽流剪切力的作用下会剥离，随之转移到蒸汽系中。
因此，实际发电厂中放射性物质在蒸汽系的转移率大于根据溶解于水中的放射性物质的气液分配率计算的数值。如果归纳放射性物质转移到蒸汽系的原因，则共计有下述3种现象，即(i)溶解于堆水中的放射性(溶解放射性)随蒸发而转移到蒸汽系中；(ii)在液滴与干燥器等装置碰撞后，液滴再次背离，或干燥后附着的放射性物质脱离，转移到蒸汽系；(iii)通过喷雾器飞散开的液滴等转移到蒸汽系，它们相应的占有率为1∶3∶1。
但是，最近出于经济性的观点，出现了打算在不改变设备尺寸的情况下，实现高输出、高温高压等新需求。但是，如果考察上述事项，则在实现原子反应堆高输出的场合下，气水分离器或干燥器的液滴分离性能是不够的，结果很容易推测到，会增加转移到蒸汽系中的放射性。另外，在进一步进行高温高压处理的场合，处于超临界状态。在此场合，如果不设置适合的分离去除装置，则超临界水中的粒子状或溶解态的放射性物质便会100％地转移到蒸汽系。由此，在超临界堆中，高温水净化器(在本说明书中，该术语指的是“可在高温下使用的，分离去除水或蒸汽中的放射性物质的装置”。)是最重要的设备之一。
到目前，人们对未伴随热量损失的高温水净化器提出了各种专利申请。但是，任何装置均无法避免寿命较短的缺点，由于俘获腐蚀产物或涡轮机系统中有机物的污染造成的压差上升，高温水的水化学不稳定性造成的过滤剂，或下述小孔形状的变化造成的性能变差，该小孔形状的变化是该过滤器材质的析出或腐蚀氧化造成的体积膨胀而引起的。另外，目前的情况是还具有俘获容量较小，净化性能随时间的推移而降低的问题，无法实用化(参照文献“发电用过滤器指南”，第8页，日本ポ-ル株式会社1997年发行)。
发明内容
本发明是针对上述实际情况而提出的，本发明的目的在于提供一种减少放射性物质从原子反应堆转移到蒸汽系的方案。
为了实现上述目的，本发明提供一种原子能发电厂系统，包括原子反应堆；蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机采用在上述原子反应堆的压力容器内产生的蒸汽；以及分离去除装置，它设置于上述压力容器与上述蒸汽涡轮机入口之间的蒸汽通路上，将包含在液滴中的腐蚀产物俘获到表面上并使其牢固地附着，分离去除作为放射性物质的腐蚀产物；上述分离去除装置是容易俘获水滴的超亲水性物质TiO2或ZrO2。另外，最好，上述分离去除装置包括高温水净化器，该高温水净化器用在高温水和蒸汽共存的条件下保持稳定的金属或金属氧化物作为放射性离子的离子交换物质。
另外，本发明还提供一种原子能发电厂系统，包括：原子反应堆；蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机利用上述原子反应堆压力容器中产生的蒸汽；以及分离去除装置，它设置于上述压力容器内和上述压力容器与上述蒸汽涡轮机入口之间的蒸汽通路上，将包含在液滴中的腐蚀产物俘获到表面上并使其牢固地附着，分离去除作为放射性物质的腐蚀产物；上述分离去除装置是容易俘获水滴的超亲水性物质TiO2或ZrO2。
此外，本发明提供一种原子能发电厂系统，包括原子反应堆；蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机采用在上述原子反应堆的压力容器内产生的蒸汽；以及分离去除装置，它设置在附设于上述原子反应堆的原子反应堆水系统中，利用将在高温水或蒸汽共存的条件下稳定的金属或金属氧化物作为对放射性离子的离子交换物质的高温水净化器，来分离去除放射性物质；上述离子交换物质是TiO2或ZrO2。
附图说明
图1为原子反应堆压力容器系统的示意图。
图2为第1实施例的干燥器结构的示意图。
图3为电荷粒子在电磁场运动方向的示意图。
图4为用于高温水净化器的中空膜管的结构示意图。
图5为第2实施例的高温水净化器的示意图。
图6为表示高温水净化器另一实施例的示意图。
图7为第3实施例的高温水净化器的示意图。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的实施例进行描述。
(第1实施例)
在已建成运行的系统中，由于空间的问题或经济上的原因，难于找到设置用于分离去除放射性物质的装置的位置。但是，可通过改善或更换设置于原子反应堆压力容器9内的气水分离器4或干燥器3等装置，减少放射性物质向蒸汽系的转移，从而提高其性能。在该方式中，当对放射性转移影响程度较大的液滴碰撞到干燥器3等装置后，防止液滴背离干燥器或干燥后附着的放射性物质剥离，从而减少放射性物质向蒸汽系的转移。
下面参照图2，对下述实施例进行描述，在该实施例，通过在干燥器3的波纹板22的表面，涂敷TiO2、ZrO2、铁氧体(ferrite)等物质，对干燥器3进行改进。另外，上述改进不限于干燥器3的波纹板22的表面，其还可在另一部件表面上实施。
TiO2、ZrO2和铁氧体能在高温水或蒸汽中保持化学稳定性，且具有长期保持下述性能的优点。
TiO2为呈现离子交换性能和/或超亲水性的物质。另外，特别是下述情况为人们熟知，该情况指TiO2为用作高温离子交换体物质，如果与作为粘接剂的SiO2一起使用，则其呈现超亲水性。通过设置具有超亲水性的物质，由于已附着的液滴在壁面上扩张，故难于受到来自蒸汽流21产生的剪切力的作用，难于再次剥离。另外，还可获得下述效果，即包含于液滴上的腐蚀产物在干燥后，保持平整，牢固地附着于表面上。
另外，由于TiO2还具有离子交换性能，故还可俘获粒子状的放射物质。由此，放射性物质形成离子状的粘附物质的腐蚀产物，牢固地附着于波纹板22的表面上。由于该效果，可防止附着的放射性物质剥离。由于转移到蒸汽系中进而进入堆水中的放射性物质主要为Co-60/Co-58和Mn-54等离子状的放射性物质，故采用TiO2是非常有效的。
此外，铁氧体和ZrO2也具有离子交换性能。
还有，TiO2和ZrO2通过接收射线(比如，N-16所发出的较强的γ射线)和由射线产生的切伦科夫(Cerenkov)光，具有借助光催化剂分解有机物的作用。由于涡轮机系统采用油类等有机物，故可通过采用具有有机物分解作用的物质，在不进行清洗等作业的情况下，保持上述亲水性和离子交换性，大幅度减少设备维护的必要性。
TiO2为钢的添加成分的物质，是容易通过腐蚀反应而在表面形成氧化物的物质，可通过在含有10-4Mpa微量空气的环境下，进行高温氧化的方式，在材料的表面形成。因此，采用适当调整化学成分的材料(比如，包含Ti的钢板)，形成波纹板22，通过对其进行高温氧化，便获得在表面形成有TiO2的波纹板22。另外，在与SiO2一起形成TiO2的场合，比如，可采用含有Ti和Si的钢板，形成波纹板22，然后对其进行高温氧化。此外，也可呈极细的纤维状，在上述波纹板22的表面覆盖TiO2，或SiO2与TiO2。
再有，也可在波纹板22的表面，施加容易形成TiO2的物质，比如Ti或Ti合金层，通过使Ti发生高温氧化，在波纹板22的表面形成TiO2。可通过公知的物理方法(比如，喷镀)或化学方法形成Ti或Ti合金层。另外，在与SiO2一起形成TiO2的场合，可通过物理方法或化学方法，将例如容易形成TiO2和SiO2的金属，附着于波纹板22的表面上，使其发生高温氧化。
上述方法也可用于形成ZrO2的场合。即，在形成ZrO2的场合，通过物理方法或化学方法，在波纹板22的表面，形成Zr或Zr合金层，使Zr发生高温氧化。
另外，可通过使不锈钢等铁合金、或铬镍铁合金等Ni合金发生高温氧化，从而形成铁氧体。
此外，TiO2，ZrO2和铁氧体还可适用于已运行的发电厂，在规定时间使用后的波纹板22，可获得与上述相同的效果。在此场合，通过喷射清洗等方式，将形成于波纹板22表面的以较松弛方式附着的n型半导体氧化物去除，使紧密附着的p型氧化膜露出。此后，通过可远距离操作的喷嘴，用吹敷或喷镀等方式，使TiO2，ZrO2和铁氧体等附着。
还有，上面描述的提高俘获率的方法是通过不使暂时俘获的液滴或放射性物质离散的方式，提高俘获效率的。下面对主动俘获液滴或放射性物质的方式，使俘获效率提高的方法进行描述。
由于水滴极微小，离子或分子等带电物质是微小的，由于带有放射性，故容易带电。在带电粒子位于图3所示的电场E内部的情况下，或位于图3所示的磁场H内部的情况下，由于它沿分别与电场E和H相垂直的方向，受到力F的作用，故通过利用该力，可使电荷粒子在波纹板22上移动。
再有，采用电场捕获放射性物质的技术已应用于射线监视器，采用电场捕获细微粉末的工艺是化工装置广泛应用的技术。另外，采用磁场而使粒子移动的技术也已经用于电荷粒子的加速器。
在图2所示的干燥器3的场合，具体来说，可通过绝缘体，形成安装在波纹板22上的固定杆23，使波纹板22与干燥容器绝缘，并且通过在各波纹板22之间施加电压，收集电荷粒子。
为了实现这样的性能，电源是必需的。作为电源，可采用外部电源。通过采用下述方案，也可省略外部电源。即，比如，如前面所述，通过对使用了规定时间的波纹板22的表面进行喷射清洗等，将形成于波纹板22表面上的、较松弛附着的n型半导体氧化物去除，使紧密附着的p型氧化膜露出，此后，附着TiO2或ZrO2。在这里，由于TiO2和ZrO2为n型半导体，故可采用下述电流，通过该半导体区域的放射性物质的直接辐射或由放射性物质生成的切伦科夫(Cerenkov)光的激励，使电子与孔穴分离而产生的电流。即，可将通过下述光电池产生的电流作为电源，该电池由叠置的p型氧化膜与n型半导体氧化物形成。
另外，在上面的描述中，p型氧化膜通过实际设备运行时的高温氧化形成，但是p型氧化膜也可在新产品时，人工形成。
此外，使俘获效率提高的方式，不仅可考虑上述物理和化学方式，而且还可以考虑改变波纹板22的几何形状。
在现行的设计中，单水分子与干燥器3波纹板22的碰撞概率较小，只有为5％。如果流动条件与现行相同，单方向有20倍的液体接触面积，显然可基本上实现100％的碰撞。通过根据机械强度，将图2的波纹板22的厚度减小到适合值，可增加液体接触面积。
上述方式对于下述方面是有效的，该方面指使多相流中包含的极微小水滴、离子或分子等物质的分离，朝波纹板22表面的转移速度较小的物质的分离，大大提高了去除性能。在此场合，如果一般增加材料的液体接触面积，虽然无法避免压差上升的问题，但是可增加水或蒸汽中的放射性物质的碰撞概率，提高俘获效率。
还有，在本实施例中，虽然以干燥器波纹板22的改进为实例进行了描述，但是本实施例的方案还可适合于下述另一种装置，其中水、蒸汽、包含水和蒸汽的多相流流过原子反应堆压力容器的内壁本身，或原子反应堆容器的内部或外部。即，通过在这种装置中，在与水或蒸汽接触的接触面上，附着TiO2，ZrO2，或铁氧体等物质，获得与上述同等的或与其相一致的效果。
(第2实施例)
下面对第2实施例进行描述。第2实施例涉及下述高温水净化器的改进，其具有可在高温下使用的过滤器，即高温过滤器。
图5为表示本发明高温水净化器结构的示意剖视图。图5所示的高温水净化器适合于对液体状态的高温水进行净化的目的(并非不能适合于蒸汽)。如图5所示，高温水净化器40包括作为高温过滤器的多个中空膜管30。
如图4所示，该中空膜管30为双层结构，其中外层是具有俘获微小粒子作用的，且容易产生压差的微孔间隙较小的表层31，内层是具有保持表层31作用的基层32。基层32的微孔间隙大于表层31的微孔间隙。基层32呈圆筒形状，因此，中间部为中空的。
最好表层31的微孔孔径小于0.45μm。其原因在于：堆水中粒子状的放射性物质和腐蚀产物的尺寸大部分都大于0.45μm，如果表层31的微孔孔径小于该数值，则可在不堵塞孔的情况下，实现表面过滤。
再有，在图4中，中空膜管30为双层结构，但是中空膜管并不限于此情况，也可为多层结构。
表层31和基层32可由多孔材料构成，该多孔材料由在高温水环境下保持稳定的金属(纯金属或其合金)、复合材料和陶瓷等组成。具体来说，上述表层31和基层32可由铁氧体氧化物、TiO2和ZrO2等氧化物构成。或者，可采用生成这些氧化物的金属，或不锈钢等Fe合金，包括Fe的Ni合金、Ti合金、锆合金(Zrcaloy)等合金材料。由于这些材料的加工性较高，故可将中空膜制造成复杂的形状，构成具有适合中空膜结构的过滤器。
另外，最好基层32由多孔材料形成，其具有粒状、板状、带状、纤维状形状材料的间隙、网眼、蜂窝或整体式等结构。
设定表层31的孔径，使其小于形成表层31的俘获对象的微小粒子的粒径，以便通过表层31过滤微小粒子，并且该微小粒子不会堵塞表层31的孔。表层31也可通过下述方式形成，即在基层32的外表面上，涂敷一层较薄的精细陶瓷或金属，对其进行烧成处理(在涂敷金属的场合，调整腐蚀前的孔形状，以便在腐蚀后，使孔径在适合的范围内)。
此外，在此场合，中空膜管30不必由按照上述方式明确划分成多层结构，也可从外层到内层，空隙尺寸逐渐递增[空隙的尺寸依次变化(外层侧的相应尺寸较小)的结构]。同样在此场合，最好，最外层微孔的孔径小于0.45μm。
还有，在此场合，中空膜管30也可这样形成，即将通过金属、合金、或复合材料形成的中空膜坯件加工成圆筒状、或褶裥形状，形成中空膜管，然后，在含有高温气体或水蒸汽的大气中，使其发生腐蚀，将最表面的孔径调整为规定的尺寸。
还有，最好还在中空膜管的外表面和/或内表面设置粗滤器。如果采用该方式，如果中空膜管30的基层32中产生微小破损，可防止该破损物质流出。另外，可将过滤材料稳定地保持在中空膜管30的外表面上。
再次参照图5。高温水净化器40有一个容器40A。在容器40A的顶部一侧，设置有出水口42，在另一侧设置有反冲洗注水口48。在容器40A的底部，设置有排水口47。另外，在容器40A的底部，设置有供水口41。此外，污染较严重的水通过供水管线(比如，供水管)41A，送入供水口41，通过上述高温水净化器40净化的水，再从出水口42，通过排水管线(比如，排水管)42A排出。供水管线41A和排水管线42A与设置有预涂泵49B(比如，混合泵)的旁通管线49A连接。用于将在后面要描述的过滤材料送入容器40A中的过滤材料供给源49C与上述预涂泵49B连接。
在容器40A内比出水口42和反冲洗水注水口48低的位置，设置有沿水平方向延伸的顶部支承板44。在顶部支承板44上，形成有多个孔，中空膜管30的顶端插入各孔中。另外，容器40A顶部支承板44的顶部空间与底部空间由顶部支承板44完全隔开，水在上述顶部空间与底部空间之间，仅仅可通过中空膜管30流动。
在容器40A内低于供水口41，且高于排水口47的位置，设置有沿水平方向延伸的底部支承板43。在该底部支承板43中，形成有多个孔。底部支承板43用未开设孔的部分，支承中空膜管30的底端。底部支承板43封住了中空膜管30的底端。因此，水在容器40A的底部支承板43的顶部空间与底部空间之间，仅仅可通过底部支承板43的孔流动。
再有，在图5中还形成了这样的结构，其中，顶部支承板44和底部支承板43固定于容器40A内部，中空膜管30保持于顶部中空膜管支承板44和底部中空膜管支承板43之间，但是，还可以形成下述结构，其中顶部支承板44、底部支承板43和中空膜管30整体形成，构成盒式结构，从而可一起更换。另外，如果形成可拆卸的高温水净化器40的容器40A的头部结构，比如，法兰结构，则容易更换。此外，在采用这种法兰结构的情况下，也可仅仅更换中空膜管30。
下面对作用过程进行描述。
首先，将过滤材料，从过滤材料供给源49C，送入旁通管线49A，再通过预涂泵49B，将其与旁通管线49A中的水混合。将此混合水从供水口41，送入容器40A内部，再从出水口42，取出该混合水，使其按照返回旁通管线49A的方式循环。在此过程中，无法通过中空膜管30的过滤材料截获在中空膜管30的表面上，由此，如图5所示，在中空膜管30的表面，形成过滤材料预涂层33。
在这里使用的过滤材料至少要求在高温水条件下保持稳定，并且具有离子交换性能。因此，作为过滤材料，最好采用赤铁矿(Fe2O3)，磁铁矿(Fe2O4)和铁酸镍(nickel ferrite)(NiFe2O4)等铁氧体(ferrite)氧化物，TiO2和ZrO2的氧化物。特别是，对于TiO2，如在第1实施例中描述的那样，可期望通过光产生的光催化剂反应，造成有机物的分解。
另外，也可将下述材料用作过滤材料，该材料包括形成上述氧化物的主成分为Fe、Ti、Zr等纯金属、这些金属的合金(比如，不锈钢)，或包含这些金属(纯金属或合金)的复合材料。
此外，如果考虑使中空膜管30的表层孔径大于0.45μm，最好过滤材料的粒径大于1μm，以便过滤材料将中空膜管30的小孔堵塞。
还有，作为过滤剂粒子，从确保离子交换性能和抑制压差上升的方面来说，最好采用比表面积较大，空隙率较大的过滤剂。
再有，由于难于制作粒径较大的陶瓷，故如果采用大于中空膜管30微孔径的物质，考虑到某种程度的过滤剂可限于容器40A内部，粒径为1μm较大的过滤剂也可由微小的、比表面积较大、空隙率较大的(多孔的)的微型粉末形成。这样可通过对粒径小于1μm的微小粒子进行烧结，而获得过滤剂粒子，这样做从经济上也是有利的。
如果形成过滤材料预涂层33，中断旁通管线49A和供水管线41A与排水管线42A的连通通路，通过供水管线41A，将作为待净化对象的污染水送入供水口41，再送入容器40A。污水中所含的放射性物质的粒子和放射性离子截获于过滤剂预涂层33中，放射性很小的水进入中空膜管30内部。穿过中空膜管30表层31和基层32的水，通过贯穿中空膜管30中间部的中空部，进入顶部支承板44的顶部空间，即集水室45。集水室45内的水通过出水口42和排水管线42A，从容器40A排出。
如果过滤材料预涂层33受到污染，则要进行反冲洗。在进行反冲洗时，要通过阀关闭供水口41和出水口42，通过反冲洗水注水口48进行注水。于是，反冲洗水依次通过中空膜管30的中空部、表层31和基层32，将附着于中空膜管30上的腐蚀产物，与过滤剂预涂层33一起剥离掉，同时从中空膜管30的外侧流出。由过滤剂和腐蚀产物混合而成的浑浊反冲洗水可依次通过中空膜管30的间隙，底部支承板43的孔，收集于底部支承板43的底部空间，即排水室46，通过排水口47，排到系统外部。另外，在此场合，如果在反冲洗水中掺有有机酸，还可对中空膜管30进行去污处理和清洗。
此外，在上面的描述中，是以过滤材料预先涂敷于中空膜管30的外表面上为前提而说明的，但是，过滤剂不必预先涂敷于中空膜管30的外表面上，如果在高温水净化器40的容器40A的内部，按照搅拌的方式，则过滤材料也可以游离在容器中。另外，在这种情况下，容器40A内水的上升速度可大于与过滤剂的斯托克斯(Stokes)直径相对应的沉降速度。
还有，由于粒子状腐蚀产物的截获造成了压差上升的问题，因此上述形式的高温过滤器优于低温过滤器，但是由于没有可使用的在高温下离子交换速度较快的物质，故对于离子交换方面是大大不利的。因此，为了提高离子交换性能，必须增加离子交换物质的量，或增加表面积。由于必须设法确保截获微小粒子，同时又与将压差保持在较小值的折衷方案的相关。因此，必须增加过滤面积，防止压差上升。
对于可在高温下使用的无机材料，一般材料表面的截获速度小于离子的蒸汽传递速度。此方面与离子交换树脂的低温去除装置和无机离子交换体的高温水净化器有很大的不同。即，离子的截获反应不支配从流体朝向材料表面的离子传递速度，而支配与材料表面的离子截获反应的全反应速度。
下面以用不锈钢制成的过滤剂为实例，对离子截获速度进行描述。在1100Mwe级BWR中，原子反应堆压力容器和原子反应堆压力容器内都用不锈钢。在这些装置的表面，还形成有铁氧体。通常具有5000m2表面积的反应堆芯外表面，相当于下述低温离子交换树脂的堆水净化装置(为1EFPY时的值、相对时间，去除速度与时间t-1/2成比例)，其中在堆水的Ni离子浓度较高的情况下，该树脂具有约1％的相当容量，在堆水的Ni离子浓度较低的情况下，该树脂具有约4％的当量容量。因此，在通过用不锈钢制成的中空膜管和过滤剂时，如果堆水的Ni离子浓度较高，当为8％的容量时，必须要求有40000m2的表面积。当过滤剂为100μm的球形时，计算出体积值为15m3。当过滤剂为10μm的球形时，计算出体积值为1.5m3。在堆水中Ni离子浓度较低的场合，可知道，如果过滤剂为100μm的球形，计算出体积值为4m3，如果过滤剂为10μm的球形，计算出体积值为0.4m3，如果过滤剂为1μm的球形，计算出体积值很小，仅为0.04m3。
图6表示本实施例的另一种变换实例。在图6的实例中，在中空膜管30的外侧，设置有粗滤器，在中空膜管30的外表面与粗滤器之间，保持有例如粒径为1μm的过滤粒子，形成粗滤器一过滤剂为一体的中空膜管49。
另外，同样在图6所示实例的场合，形成有下述结构，其中顶部中空膜管支承板44与底部支承板43固定于高温水净化器40的容器40A上，中空膜管30保持于顶部支承板44与底部中空膜管支承板43之间，但是它们整体成形，构成盒式结构，如果按照此方式，容易一起进行更换。同样在此场合，如果形成可将高温水净化器40容器40A的头部拆下的结构，比如法兰结构，则还可更换中空膜管30。
图6所示的变换实例的高温水净化器既可用于高温水为蒸汽的状态，也可用于该高温水为液体的状态。
(第3实施例)
下面参照图7，对第3实施例进行描述。图7所示的高温水净化器适合对蒸汽状态的高温水进行净化。另外，在图7所示的高温水净化器中，与图5所示高温水净化器相同的部件，或具有类似功能的部件，采用相同的标号表示，故省略重复的描述。
如图7所示，在高温水净化器40中，容器40A的顶部一侧，设置有出水口42，在另一侧，设置有反冲洗水注水口48。在容器40A的底部，设置有供水口41。另外，在容器40A的底部，设置有排水口47。另外，通过供水管线(比如，供水管)41A，将污染较严重的水蒸汽供给供水口41，并从出水口42，排走经过上述高温水净化器40净化的水，通过排水管线(比如，排水管)42A排出。
在容器40A中，在低于出水口42和反冲洗水注水口48的位置上，设置有沿水平方向延伸的顶部支承板44。在顶部支承板44中，开设有多个孔，中空膜管30的顶端插入上述各孔中。其中，顶部支承板44通过未开设孔的部分，支承着中空的供水粗滤管51的顶端，顶部支承板44将供水粗滤管51的顶端堵塞。另外，容器40A顶部支承板44的顶部空间与底部空间由顶部支承板44完全隔开，水在上述顶部空间和底部空间之间，仅仅可通过中空膜管30流动。
在容器40A中低于排水口47，并且高于供水口41的位置，设置有沿水平方向延伸的底部支承板43。在底部支承板43中，开设有多个孔，供水粗滤管51的底端插入各孔中。其中，底部支承板43通过未开设孔的部分，支承中空膜管30的底端，底部支承板43将中空膜管30的底端堵塞。因此，水在容器40A底部支承板43的顶部空间与底部空间之间，仅仅可通过供水粗滤管51的孔流动。
在本实例中，中空膜管30呈六边形，供水粗滤管51设置于六边形的中心点。因此，中空膜管30的根数与供水粗滤管51的根数比为2∶1。
顶部支承板44和底部支承板43之间的空间由粒状过滤材料填充。
此外，中空膜管30和过滤材料可采用与在第2实施例中描述的中空膜管和过滤材料相同或类似。
如果从供水口41，将高温蒸汽送入底部支承板43的下方空间，则蒸汽从此处，依次经过供水粗滤管51、过滤材料、中空膜管30进入集水室45，再从出水口42，排放到容器40A外部。在此过程中，高温蒸汽通过过滤材料和中空膜管30得到净化。
下面对本实施例的高温水净化器的具体形式进行描述。容器40A为圆筒状，在其内部，外形尺寸为25.4mm，长度为5080mm的中空膜管52(一根管的过滤面积：0.405m2)呈六边形状布置。其尺寸与中空膜管30相同的供水粗滤管51设置于中空膜管52的六边形的中心点。如果过滤器(中空膜管30和供水粗滤管51)的填充率为75％，则每1m2，可填充1500个过滤器。供水粗滤管51与中空膜管52之间的过滤层(填充过滤材料的区域)的最短间距为2.4mm。原子反应堆的内径在100Mwe级BWR的场合下，为6.4m，此时面积为32m2(体积为163m3)，由此，可填充48000多个过滤器。其中，由于2/3为收水管，故中空膜管52为32000根(总过滤面积为12960m2)。由于蒸汽流量为6400Ton/hr，则考虑到蒸汽比重为0.036Tom/m3，蒸汽过滤面积的面速度为3.8mm/s。
对下述过滤层进行考察，在该过滤层中，可按照DF的计算式(1)，以DF＝104的方式，去除不锈钢制成的球形过滤剂按照纯立方晶体排列(空隙率为48％，最小空隙间距为过滤剂粒径的0.41倍)附着的情况下的285℃的蒸汽中的Co-60离子。如果过滤剂的直径为1μm，则空隙的等价圆筒半径为0.39μm。由于空隙率为48％，则空隙内的速度为7.9mm/s。因此，经过的单位长度(1mm)时间为0.13s。在这里，水通路近似为圆筒状，但是实际上，由于过滤剂为球，故其表面积为圆筒流路的1.28倍。
在这里，假定过滤剂表面的Co-60的化学反应与蒸汽和高温水相同，对在一次流体流通过程中，可去除离子的过滤剂的厚度进行计算。在堆水中Ni离子浓度较高的场合，由于在5000m2时，去除速度为60Ton/hr，则如果按照高温水的比重为0.74Ton/m3进行补偿，计算高温水的体积净化速度，则该速度相当于81m3/hr。去除速度为0.0162m/hr，即4.5μm/s。过滤层的空隙圆筒长度L(mm)的Co-60的DF由下述(1)式给出。
DF＝e4.5×2×1.28/0.39×0.13L               …(1)
如果使用供水粗滤管51与中空膜管52之间的距离为2.4mm的过滤层，则获得104的DF。在此场合，过滤剂的填充体积为41m3。
下面计算1μm球形粒子的2.4mm的过滤层的水头长度L。在计算时，参照“网膜水质控制的物理化学工艺(朝仓书店)p.126”。通过(2)式，知道水头损失约为200m。
h＝JLv/g(1-ε)2/ε3v(σ/d)2                 …(2)
在这里，在(2)式中，
J：实验常数             约为6
L：过滤层的厚度         2.4mm
v：流动粘性系数         0.56×10-6m2/s
g：重力加速度           9.8m/s2
ε：空隙率              0.48
σ：形状系数            约为6
v：空筒速度             0.0038m/s
d：过滤剂的粒径         1μm
还有，在堆水的Ni离子浓度较低的场合，过滤剂的填充体积大于10m3，水头损失约为50m。
在任何一种场合，在285℃的BWR中，难于在原子反应堆压力容器内部，设置DF为104的高温水净化器。但是，在650℃的超临界水中，由于温度较高，故与过滤剂的反应速度较快，与285℃的场合相比较，上述速度提高100倍。因此，可达到充分使过滤剂的粒径足够小的目的，使过滤剂的粒径达到24μm(过滤剂的填充体积为0.41m3)，水头损失约为2m，目的。在此场合，还可使过滤剂的量和尺寸为10倍(过滤剂的填充体积为4.1m3，粒径为1μm)。在此场合，由于压差符合公式(2)，故其可为1/10。按照上述方式，同时满足压差上升和截获容量的要求。
通过将上面描述的第2和第3实施例的高温水净化器，适当地设置于图1的原子反应堆压力容器内9，或在原子反应堆压力容器9内，设置于涡轮机入口的蒸汽阀1之间，可有效地分离、去除放射性物质，减小放射性物质向蒸汽系的转移。
由于高温水净化器在新建发电厂的设计上有较大的余地，故可作为新装置装配。另外，在已建成的发电厂中，多数场合是由于空间上的原因，难于按照新建发电厂的方式，装配新的净化器。在这样的场合下，可按照比如第实施例的方式，通过对已有发电厂的波纹板进行改进，使干燥器具有高温水净化器的功能，进行相应处理。
第2或第3实施例的高温水净化器不仅可设置于压力容器内，而且比如还可在原子反应堆压力容器9内，设置于涡轮机入口的蒸汽阀1之间。另外，通常，在涡轮机系统发生异常的场合，由于连接原子反应堆系统与蒸汽和涡轮机系统的蒸汽管线上，设置有蒸汽隔离阀，高温水净化器设置于蒸汽隔离阀的下游侧，并且设置于涡轮机入口的蒸汽阀1的上游侧，这样安全性较高。此外，在将高温水净化器从原子反应堆压力容器内部9，设置于涡轮机入口的蒸汽阀1之间的情况下，也可在高温水净化器发生异常时，设置使高温水净化器形成旁路的管线。
本实施例的高温水净化器与采用现行的离子交换树脂的堆水净化器相比，其优点在于没有热损失。另外，在高温条件下，由于下表1所示的水粘性阻力显著降低，故与同一形状的低温过滤器相比较，可大幅度降低初始压差。
                                      表1水、蒸汽的粘性系数
  水   饱和水   饱和蒸汽   超临界水
  温度(℃)   25   285   285   650
  压力(Mpa)   0.1   7.0   7.0   25
  密度(kg/m3)   1000   740   36   59
  粘性系数(μPas)   891   90   20   39
再有，特别是，在本实施例的高温水净化器中，由于采用在有高温水存在的条件下保持稳定的离子交换物质，故可延长寿命。另外，采用现行离子交换树脂的堆水净化器的容量对于低温型净化器来说，为供水流量的2％。比如，通过添加相当于8％容量的高温水净化器，当使堆水放射性浓度为现行的1/5时，放射性物质向蒸汽系的转移量可按照与堆水中放射性浓度成比例的方式减少。
另外，为了抑制高温水净化器的压差上升，最好使进水中铁的浓度保持在小于0.1ppb。高温水净化器压差上升的原因在于截留了粒子状的腐蚀产物。铁是该粒子状腐蚀产物的主要成分，大部分腐蚀产物可通过冷凝净化系统排走。通过在冷凝净化系统中设置中空丝过滤器，则可将来自进水的铁保持在小于0.1ppb，其平均值为0.02ppb，这可从过去的运行情况确认。
上述量是未设置中空丝过滤器的发电厂进水中铁含量的1/10以下。另外，在未设置中空丝过滤器的发电厂中，在试用高温水净化器时，高温水净化器的过滤器的寿命为数年。考虑到上述情况，经推断即使在使用现行结构的高温过滤器的情况下，通过将高温水净化器进水中铁的含量限定在规定值以下，仍可在接近发电厂寿命的时间运行。
此外，在此前的描述中，针对通过截留放射性物质，对减少转移到蒸汽系中的放射性物质的方式进行了描述，但是减少含有放射性物质的蒸汽本身也是有效的。
为此，最好将用于喷雾器6的水，从现行堆水净化装置5的出水，改成图1所示的冷凝水净化器7或冷凝水储存罐8的出水。按照上述方式，由于冷凝水净化器7或冷凝水储存罐8的出水中所含的放射性物质少于堆水净化装置5出水中所含的放射性物质，故可减少喷雾器产生的蒸汽所包含的放射性物质。上述方式对于采用最近的喷雾器，在原子反应堆停止运行时，实现快速降低温度，具有较好的效果。
还有，为了减少含有放射性物质的蒸汽量，最好使喷雾器的喷射水不飞散，直接降落到温度较高的压力容器上，对喷水孔的朝向，或通过盖喷射的区域进行限制，或减小通过喷嘴或超声波进行喷雾的液滴直径，根据停止运行后的热核反应产生的蒸汽量，对喷射水量进行控制。
在现行系统中，其设计是这样的，采用接近压力容器温度的堆水净化系统出水，即使在喷雾器的喷射水飞散而直接落在压力容器上的情况下，仍能使热应力减小。但是，下述方法具有新的特征，在该方法中，相对于堆水温度的降低，压力容器温度的降低较慢，温度差逐渐增加，通过控制喷雾器的扩大，使液滴减小，针对使用后的蒸汽发生量，形成低温蒸汽，使与压力容器接触的温度均匀地降低。由于采用本方法，可更加安全、有效地使上述温度降低。
按照本发明，可有效地抑制放射性物质朝向蒸汽系的转移。

Claims (16)

1.一种原子能发电厂系统，包括：
原子反应堆；
蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机利用上述原子反应堆压力容器中产生的蒸汽；以及
分离去除装置，它设置于上述压力容器与上述蒸汽涡轮机入口之间的蒸汽通路上，将包含在液滴中的腐蚀产物俘获到表面上并使其牢固地附着，分离去除作为放射性物质的腐蚀产物；
上述分离去除装置是容易俘获水滴的超亲水性物质TiO2或ZrO2。
2.一种原子能发电厂系统，包括：
原子反应堆；
蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机利用上述原子反应堆压力容器中产生的蒸汽；以及
分离去除装置，它设置于上述压力容器内和上述压力容器与上述蒸汽涡轮机入口之间的蒸汽通路上，将包含在液滴中的腐蚀产物俘获到表面上并使其牢固地附着，分离去除作为放射性物质的腐蚀产物；
上述分离去除装置是容易俘获水滴的超亲水性物质TiO2或ZrO2。
3.一种原子能发电厂系统，包括：
原子反应堆；
蒸汽涡轮机，该蒸汽涡轮机利用上述原子反应堆压力容器内产生的蒸汽；以及
分离去除装置，它设置在附设于上述原子反应堆的原子反应堆水系统中，利用将在高温水或蒸汽共存的条件下稳定的金属或金属氧化物作为对放射性离子的离子交换物质的高温水净化器，来分离去除放射性物质；
上述离子交换物质是TiO2或ZrO2。
4.根据权利要求3所述的原子能发电厂系统，其特征在于：上述离子交换物质的表面呈纤维状。
5.根据权利要求3所述的原子能发电厂系统，其特征在于：上述离子交换物质包含作为主成分的赤铁矿，磁铁矿或铁酸镍等铁氧体氧化物。
6.根据权利要求3所述的原子能发电厂系统，其特征在于：
上述高温水净化器包括设置于上述压力容器内的干燥器；
上述干燥器包括多块波纹板，含有放射性物质的多相流体从这些波纹板之间流过；
在上述波纹板的表面，与SiO2一起设置有作为上述离子交换物质的TiO2。
7.根据权利要求3所述的原子能发电厂系统，其特征在于：
上述高温水净化器包括设置于上述压力容器内的干燥器；
上述干燥器包括多块波纹板，含有放射性物质的多相流体从这些波纹板之间流过；
对上述波纹板进行下述处理，即在附着于上述波纹板表面的p型氧化膜上，附着上述离子交换物质。
8.根据权利要求3所述的原子能发电厂系统，其特征在于：
上述高温水净化器包括设置于上述压力容器内的干燥器；
上述干燥器包括使含有放射性物质的多相流体在其间流过的多个波纹板和在上述波纹板之间作用电场或磁场的机构；
通过上述电场或磁场，使含有在上述多相流体中所含的放射性物质的微小粒子朝上述波纹板移动。
9.根据权利要求8所述的原子能发电厂系统，其特征在于：作为在上述波纹板之间作用电场或磁场的机构所用的电源，形成光电池，上述光电池由附着于上述波纹板上的n型半导体的TiO2或ZrO2、和通过腐蚀在上述波纹板表面上生成的p型半导体的腐蚀膜构成。
10.根据权利要求3所述的原子能发电厂系统，其特征在于：
上述高温水净化器包括设置于上述压力容器内的干燥器；
上述干燥器包括多个波纹板，含有放射性物质的多相流体从这些波纹板之间流过；
在上述波纹板的表面，设置有用作上述离子交换物质的TiO2或ZrO2。
11.根据权利要求3所述的原子能发电厂系统，其特征在于：
上述高温水净化器包括：
容器；
设置于上述容器内的中空膜管；
过滤材料粒子，在上述容器内，被保持于、或预先涂于、或以悬浮方式存在于上述中空膜管的外侧；
上述过滤材料粒子由在高温水或蒸汽共存的条件下稳定的、具有作为对放射性离子的离子交换物质的作用的ZrO2或TiO2形成。
12.根据权利要求11所述的原子能发电厂系统，其特征在于：
上述中空膜管具有多孔结构，外周侧的孔径小于内周侧的孔径。
13.根据权利要求11所述的原子能发电厂系统，其特征在于：
在上述中空膜管的内侧、外侧、或两侧，具有粗滤器。
14.根据权利要求11所述的原子能发电厂系统，其特征在于：上述过滤剂粒子由赤铁矿，磁铁矿或铁酸镍等铁氧体氧化物，以TiO2及ZrO2为主体的氧化物，或生成这些氧化物的主成分为Fe，Ni，Ti，Zr的金属或复合材料构成。
15.根据权利要求11所述的原子能发电厂系统，其特征在于：上述中空膜管由以铁酸镍、TiO2、ZrO2为主体的氧化物或形成这些氧化物的金属或复合材料构成。
16.根据权利要求3所述的原子能发电厂系统，其特征在于：为了抑制随着粒子状腐蚀产物的俘获而产生的高温水净化器的压差上升，该系统还包括使进水中的铁含量小于等于0.1ppb的过滤机构。
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