JP2008045924A - 原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炉水の水質を調整することにより炉内構造物の材料表面等へのクロムの付着を抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置は、原子炉圧力容器１内に冷却材を供給する原子炉一次系６に薬液注入装置２１とサンプリング装置３５とを設け、このサンプリング装置３５により炉水の水質を分析し、分析したｐＨ値が電位−ｐＨ線図の予め定められた領域に存在するとき、薬液注入装置２１にｐＨ調整剤を供給するものである。
【選択図】 図９

Description

本発明は、例えば、給水系、復水系、炉水系内の原子炉一次系の構造物から原子炉圧力容器内を流れる炉水（冷却材）に放出されるクロムの炉内構造物等の部材表面への付着を抑制する技術に係り、特に炉水の不安定流れに起因して発生するジェットポンプの不安定運転や炉心流量のアンバランスに伴う不均一な熱分布を抑制するに適する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法に関する。

原子力発電プラントの給水系、復水系もしくは再循環系、冷却材浄化系等の炉水系などの原子炉圧力容器に接続される原子炉一次系には、使用する装置に応じて種々の金属材料が用いられている。

例えば、沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ，ＡＢＷＲ）においては、炉心シュラウドに収容される燃料被覆管にジルコニウム基合金が使用され、また、再循環配管、給水系配管、炉心スプレー配管等の水循環系にオーステナイト系ステンレス鋼が使用され、さらに、復水系配管、浄化系配管、タービン抽気系配管等に炭素鋼が使用され、用途に応じて使い分けられている。

これら用途に応じて使い分けられた配管系統を流れる水または蒸気のうち、高温、高圧水が通過する領域に至ると、高温、高圧水との接触によって部材の腐食反応が現われ、酸化皮膜の生成や腐食生成物の炉水等への放出がある。

また、低温部分であっても、炭素鋼などの材料では腐食放出反応が問題になっている。

腐食生成物の炉水等への放出の態様には、イオン状のものと粒子状の二つの形態がある。

イオン状の腐食生成物あるいは粒子状の腐食生成物は、原子炉一次系の一次冷却水を媒体として原子炉圧力容器の炉内に流れ、沸騰現象や共析反応等によって炉心シュラウドに収容される燃料被覆管表面等に付着し、やがて長年の運転経過後、固化することがある。

ここで、沸騰現象による粒子状の腐食生成物とは、粒子状の鉄を主成分とする金属酸化物が沸騰によって燃料被覆管表面等に発生する乾き面に焼き付き、固着して固化することをいう。

また、共析反応によるイオン性の腐食生成物の付着とは、付着した粒子状の金属酸化物とイオン性の腐食生成物とが複合酸化物を生成し、燃料被覆管表面等に焼き付き、固化されたものをいう。

これら沸騰現象あるいは共析反応においては、例えば鉄クラッド（Ｆｅ_２Ｏ_３）とニッケルイオン（Ｎ^２＋）とからニッケルフェライト（ＮｉＦｅ_２Ｏ_４）が生成されることが良く知られている。
［化１］
Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ｎｉ^２＋＋Ｈ_２Ｏ＝ＮｉＦｅ_２Ｏ_４＋２Ｈ^＋

また、加圧水型原子力発電プラント（ＰＷＲ）においては、燃料被覆管表面での沸騰が燃料棒の上部側に限定されるため、腐食生成物の付着量が沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ，ＡＢＷＲ）に較べて少ないものの、腐食生成物の生成付着が観察されている。

例えば、燃料被覆管表面等に付着し、やがて固化する腐食生成物は、中性子の照射を受け、放射能化され、放射性腐食生成物に核変換される。

コバルトを一例に採った場合、核反応によってコバルトはコバルト６０の放射能になる。

コバルト６０（^６０Ｃｏ）は、半減期が５．２年と長く、かつ放出するγ線のエネルギが１．１７ＭｅＶ、１．３３ＭｅＶと高い値のため、ＢＷＲ，ＡＢＷＲあるいはＰＷＲにおける作業員が受ける主要な被曝線源になっている。

放射化によって生成された放射能は、全量が燃料被覆管表面にそのまま固着することが多い。その一部は粒子状で剥離したり、またイオン状で放出したりして、一次冷却材中の機器、装置を放射化する。

そして、イオン状の放射能は、金属材料が腐食する際、その表面に生成される腐食皮膜中に酸化物として共析したり、また同位体変換反応によって取り込まれたりするものと理解されている。

例えば、コバルト（^６０Ｃｏ^２＋）は、鉄の酸化に伴なう鉄鋼材料の腐食により、次の二つの反応式で皮膜中に取り込まれると考えられている。
［化３］
^６０Ｃｏ^２＋＋Ｆｅ_２Ｏ_３＋Ｈ_２Ｏ＝^６０ＣｏＦｅ_２Ｏ_４＋２Ｈ^＋
６０Ｃｏ^２＋＋ＣｏＦｅ_２Ｏ_４＝Ｃｏ^２＋＋^６０ＣｏＦｅ_２Ｏ_４

このように、原子炉一次系を流れる炉水（一次冷却材）と接した金属材料は放射能化され、炉内構造物等の部材表面は放射能を帯びている。

そして、放射能量は腐食皮膜の成長により経年的に増加する速度と粒子状の放射能の取り込む速度とを加えた合計の放射能増加速度が、放射性壊変によって既に付着している放射能が減少する速度とバランスするまで、増加の一途を辿る。

また、原子炉一次系の配管、機器等の炉内構造物の部材表面が放射能を帯びると、その部位や機器の分解点検の際、作業員の受ける放射能被曝量が多くなり、さらに、二次的に空間線量率が高まり、これらの付近で別作業を行う作業員の被曝を増加させる虞がある。

この結果、原子力発電プラントの運転後や定期検査後の被曝線量（トータルマンシーベルト）を押し上げる虞があり、作業員数の増加による定期検査費用の増加や定期検査の期間延長を招く虞がある。

このような技術背景から、原子炉一次系の炉内構造物等の部材表面に放射能を帯びた腐食生成物が付着することを抑制する手法には、例えば、特許文献１に開示されているように、クラッド溶解法、また、例えば、特許文献２に見られるように、腐食生成物の構造物等の部材表面への付着を抑制し、炉水（冷却材）の流動抵抗を少なくさせる手法、さらにまた、特許文献３に記載されているように、炉水のｐＨを６．８〜８．０に調整、維持させ、炉水のアンモニア濃度を０．５〜３．５ｐｐｍに調整し、腐食生成物の炉内構造物等の部材表面への付着、取り込みを抑制する手法が提案されている。
特開平１−２６９０９０号公報 特開２０００−２８７８８号公報 特許第２９４１４５９号公報

原子力発電プラントにおける炉内構造物等の材料表面への腐食生成物の付着抑制は、腐食生成物の発生と移行のプロセスにより、専ら作業員の被曝防止の意図から問題視されており、炉内構造物等に蓄積された放射能の除去（除染）の研究開発が進められていた。

ところが、本発明者等は腐食生成物の生成とその挙動に関する研究に携わる過程において、腐食生成物の一種であるクロムの特異な挙動を知見した。

例えば、意図的に水素の注入を行わない沸騰水型原子力発電プラントにおいて、炉水の水質は、水の放射線分解で発生する過酸化水素を含むため、酸化性が強く、炉水に浸るステンレス鋼やニッケル基合金などの合金組成からクロムが酸化数６価のクロム酸イオン（ＨＣｒＯ_４ ⁻，ＣｒＯ_４ ^２−）として炉水に腐食放出される。

本発明者等は、原子力発電プラントの運転データや炉水の水質データ等各種データのうち、特に、クロム放出後の挙動とその移動性の影響に関するデータに着目し、これらデータを詳細に検証したところ、炉水中にクロム酸イオンが一定濃度以上で存在すると、このクロム酸イオンが炉内の高流速部位等の特定領域に、下記に示す反応式に基づいて酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）が析出し、炉内構造物やポンプ等の運転に支障を来す可能性があることを見出した。

［化４］
２ＨＣｒＯ⁻ _４＋８Ｈ^＋＋６ｅ⁻＝Ｃｒ_２Ｏ_３＋５Ｈ_２Ｏ
２ＣｒＯ_４ ^２−＋１０Ｈ^＋＋６ｅ⁻＝Ｃｒ_２Ｏ_３＋５Ｈ_２Ｏ
ここで、高流速域部位とは、炉水の流速が１０ｍ／ｓｅｃを超える高速の流路流域をいう。

炉水の流速が高いと、剪断力が働くため、腐食生成物は炉内構造物等の部材表面や壁面に付着しにくいと考えられていたが、クロムの場合、この常識を破り、炉水中にイオンとして混入するクロムが流速１０ｍ／ｓｅｃ以上の高流速域においても酸化クロムの粒子として炉内構造物等の材料表面に析出することが認められた。ここで、高流速域とは流速１０ｍ／ｓｅｃ以上を超えるような部位を示し、例えばＢＷＲ，ＡＢＷＲではシリンダヘッドの吹き出しノズル部やインターナルポンプのインペラーとハウジングのクリアランス部位などが該当する。

このクロムの原子炉炉内構造物等の材料表面への付着、固化は、炉水の流動抵抗となり、ポンプ等の運転に対する効率低下、脈動発生の要因となる可能性があった。

また、クロムの原子炉炉内構造物等の材料表面への付着、固化は、炉心の燃料棒への炉水供給が減少し、この炉水供給量の減少に伴って一部が沸騰し、炉水の冷却材（減速材）としての能力を低下させる要因になっていた。

一方、高流速域を流れるクロム酸イオンがクロム酸化物として析出するメカニズムは、未だ、解明されていないが、本発明者等は炉水に浸る炉内構造物の腐食電位が何らかの影響を与えているものと想定している。

すなわち、経験則によれば、炉水の流速が数ｍ／ｓｅｃ程度の低流速以上であると、腐食電位は一定値を採り、流速依存性を持っていない。

しかし、流速が、例えば、１０ｍ／ｓｅｃ以上の高流速になると、腐食電位は低くなる。

そして、炉水の流速が低流速と高流速とでは、腐食電位の違いは約０．１Ｖになっている。

この電位領域では、クロム酸化物溶解度の電位依存性から、約１桁程度のクロム酸化物溶解度の違いがある。この場合、バルク中で１０ｐｐｂを超えるクロム酸イオン濃度は、低流速域で溶解度以下であるのに対し、高流速域で溶解度以上となっていることが観察された。

このような事象から、クロム酸化物は、炉水に浸る炉内構造物等の材料（機器も含む）表面に析出する可能性があると推定している。

実際の原子力発電プラントにおいては、炉水中に含まれるクロム酸イオンの濃度上昇が引き金になり、その後にポンプ等の動的機器の振動や炉心に供給される炉水流量のバランス変動に伴う燃料棒の燃焼管理の問題が顕在化する場合が多い。

クロム酸イオンの濃度上昇には、プラント運転開始直後のステンレス鋼に腐食が生成する場合、あるいは夏期に海水温度が上昇し、復水の溶存酸素濃度が増加した場合等幾つかの態様が考えられる。

これらの態様に基づいてクロム酸イオンの濃度が上昇するにも拘らず、現技術では、クロム酸イオンの濃度を抑制する即効性のある技術が実現しておらず、専らポンプ等の運転状況を監視しつつ、クロム酸イオンの濃度の自然低下を待つのが現状であった。

クロムの炉内構造物への付着に起因して動的機器の不安定運転となる要因を取り除くには、以下に示す幾つかの対策が考えられる。
（１）クロム酸イオンの発生を抑制する。
（２）発生したクロム酸イオンを取り除き、炉水中のクロム酸イオンの濃度上昇を抑制する。
（３）炉水中に含まれるクロム酸イオンの炉内構造物等の材料表面への付着を水質調整（水質制御）によって抑制する。
（４）炉水中に含まれるクロム酸イオンの炉内構造物等の材料表面への付着を電位制御によって抑制する。
（５）炉水の高流速領域における流路形状・機能を改善することによって炉内構造物等の材料表面へのクロムの付着を抑制する。

このような対策に対し、本発明者等は、クロムの発生から付着に至るまでのクロム移行挙動を総合的に検討し、以下に示す結論に達した。

すなわち、本発明は、実現性や費用対効果を加味して、上述のクロム付着防止対策から選択したもので、炉水の水質を調整することにより炉内構造物へのクロムの付着を抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法を提供することを目的とする。

また、本発明の第２の目的は、炉内構造物等材料表面の電位制御を行うことにより炉内構造物等の材料表面へのクロムの付着を抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法を提供することにある。

また、本発明の第３の目的は、炉水が流れる高流速領域における流路等の形状に改善を加えることにより炉内構造物等の材料表面へのクロムの付着を抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法を提供することにある。

上述第１の目的を達成するために、本発明者等は炉水に含まれるクロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３）の分布、クロム酸イオン（ＣｒＯ_４ ^２−、ＨＣｒＯ_４ ⁻、ＣｒＯ_２ ⁻）の分布等を、図１に示す、別名ブルベー線図と称すＣｒ−Ｈ_２Ｏ系の電位−ｐＨ線図から知識、情報を得、この情報を基にして研究を重ねた。

ここで、図１は縦軸に電位Ｅ（標準水素電極電位基準 ＶｖｓＳＨＥ）を採り、横軸にｐＨ値を採っている。

なお、ｐＨ値は炉水温度が２８８℃のときのものであり、炉水中のクロム濃度は１０^−６ｍｏｌ／ｌである。

この電位−ｐＨ線図は、特定の腐食電位とｐＨの場合、クロムはどの化学形態が熱力学的に安定状態に維持されているかを示している。そして、図中の枠線部Ｒで囲んだ領域が一般的なＢＷＲ炉水条件を示している。

この電位−ｐＨ線図から、クロムの安定形態はＣｒ_２Ｏ_３とＣｒＯ_４ ^２−の境界付近になっていることがわかる。換言すると、腐食電位値如何によって、あるいはｐＨ値如何によってどちらでも容易に安定した化学形態を採り得ることがわかる。

ところで、原子力発電プラントにおける炉水の流速が１０ｍ／ｓｅｃを超える高流速領域は、これよりも低い低流速領域と較べたとき、約０．１Ｖの電位差が出、低流速領域よりも電位が低くなっていることが観察されているが、炉水の流速が１０ｍ／ｓｅｃを超える高流速領域を電位−ｐＨ線図に当てはめてみると、枠線部Ｒでも下側に位置し、クロム酸化物としてより析出し易い状態にある。

また、電位−ｐＨ線図から、高流速領域でもクロムが酸化物として析出しにくくするには、クロムの濃度が同じならば、ｐＨ値を矢印ＡＲ_１の方向に向かわせ、よりアルカリ側にシフトさせるか、あるいは矢印ＡＲ_２の方向に向かわせ、腐食電位をＣｒＯ_４ ^２−側にシフトさせれば、クロムの安定形態を確保できることがわかる。

このように、クロムの炉内構造物への付着を抑制するための手法の一つとしての炉水の水質調整（水位制御）には、ｐＨ値のアルカリ側へのシフト、あるいは腐食電位の上昇化のいずれかの選択の途がある。

なお、腐食電位の上昇化に際し、ステンレス鋼等の腐食電位は、溶存酸素濃度や過酸化水素濃度が上昇するほどに増加することがわかっているので、測定領域の溶存酸素濃度もしくは過酸化水素濃度を指標にすればよい。

次に、第２の目的を達成するために、本発明者等は以下に示す点に着目した。

腐食電位は、通常、炉水中の酸素濃度、水素濃度、過酸化水素濃度および炉内構造物等の分極曲線によって算出される平衡電位である。

この平衡電位に着目し、本発明者等は外部から電気的にクロム酸イオンが安定な電位に分極させればクロムの炉内構造物等の材料表面への付着が抑制されることを知見した。つまり、炉水の高流速領域で、かつ腐食電位の低下が避けられないような領域において、予め、当該構造物を電気的に絶縁しておき、目標とする電位に抑制すればクロムの析出を抑制することができることを知見した。

この場合、制御する腐食電位は、図１に例示した電位−ｐＨ線図を指標とした。

なお、図１に例示した電位−ｐＨ線図は、クロム濃度が１０^−６ｍｏｌ／ｌでの炉水温度条件における平衡値であるから、実際の運用にあたり、水質、電位ばかりでなく、ポンプ等の運転状況のデータをより多く収集し、最適腐食電位条件を求めている。

また、第３の目的を達成するために、本発明者等は以下に示す点を確認、考察した。

本発明者等は、炉水の高流速条件におけるクロムの析出挙動を高温高圧ループ試験機を用いて調整した。調査の結果、クロムの付着を完全に防止することはできなかったが、それでもクロムの付着を緩和させる流路形状が存在することを実験で確認した。

図２は、実際にクロムの付着状況を観察した例である。この観察例は、配管の内壁を機械加工すると、炉水の流れ方向と交差する方向に凹凸状の加工傷が形成された。凹凸状部のうち凹状部がクロム付着の起点となり、凹状部の傾斜面で炉水流れに対向して成長することがわかった。

これは、炉水流れに交差する凹状の加工傷がクロムの付着に深く関与していることと思われる。

このため、本発明者等は、炉水の流れが高流速で、かつ均一流になっている、例えば、原子炉の配管等の試験体に、図２で示すように、炉水の流れと交差する方向と、炉水流れと平行方向に凹凸状の加工傷を与えたものとの２種類を準備し、炉水を流したところ炉水流れ方向と平行な加工傷を持つ試験体の方がクロムの付着量が明らかに少なくなっている事象を見出した。

これは、クロムの付着の起点となるスポットが少ないことによるものと想定される。

この試験結果から、炉水が高流速で流れ、かつ均一流に流れる領域において、炉水の流れ方向に沿って凹凸状の機械加工傷をつけることがクロムの付着量を少なくすることができると判断した。

一方、炉水の高流速流路、流域において、拡開流路から縮流流路に炉水が流れる場合、拡開流路から縮流流路に変わるエッジ部の形状もクロムの付着防止にとって重要であることが確認された。

図３〜図５は、炉水高流速クロム付着試験を実施した３種類のエッジ構造と炉水流れを模式的に示した炉水流れ図である。

ここで、これら図中のうち、図３は、原子炉一次系の拡開流路から縮流流路に炉水が流れる際、クロムが付着することを示す模式図、図４は原子炉一次系の拡開流路と縮流流路との交差部に面取り部（隅切り部）を形成したときの炉水の流れを示す模式図、図５は原子炉一次系の拡開流路と縮流流路との交差部に曲面部（Ｒ部）を形成したとき、炉水の流れを示す模式図をそれぞれ示している。

図３および図４で示すように、炉水が拡開流路から縮流流路に流れるとき、その交差部で流れの剥離が生じ、剥離後の領域にクロムの付着が認められた。これに対し、図５で示すように、拡開流路と縮流流路との交差部を曲面部にしたとき、炉水が曲面部を通過しても剥離が生じないので、クロムの壁面への付着が認められなかった。

また、変曲流を持つ流路でも、上述と同じ事象が観察された。

図６〜図８は、炉水が変曲する流路を持つ炉水流れを模式的に示した炉水流れ図である。

これら図中のうち、図６は、原子炉一次系における流路と他の流路との交差部が直角になっているときの炉水の流れを示す模式図、図７は、原子炉一次系における流路と他の流路との交差部が面取り部を形成したときの炉水の流れを示す模式図、図８は、原子炉一次系における流路と他の流路との交差部が曲面部を形成したときの炉水の流れを示す模式図をそれぞれ示している。

上述と同様に、図６および図７で示すように、流路間の交差部で炉水の流れの剥離が終った領域にクロムの付着が認められたのに対し、図８では、流路間の曲面部を炉水が通過しても流れの剥離が認められず、クロムの壁面への付着も観察できなかった。

このように、クロムの付着抑制に際し、本発明者等は、上述の知見に基づき、本発明を完成させたものである。

すなわち、本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置は、上述の目的を達成するために、クロム酸化物が原子炉圧力容器内に配設された炉内構造物の部材表面に付着することを抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置において、原子炉圧力容器内に冷却材を供給する原子炉一次系に薬液注入装置とサンプリング装置とを設け、このサンプリング装置により炉水の水質を分析し、分析したｐＨ値が電位−ｐＨ線図の予め定められた領域に存在するとき、前記薬液注入装置にｐＨ調整剤を供給するものである。

また、本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制方法は、上述の目的を達成するために、原子炉一次系に設けたサンプリング装置によって炉水をサンプリングし、サンプリングした炉水の水質を分析し、分析したｐＨ値が電位−ｐＨ線図の予め定められた領域内にあるとき、炉水にｐＨ調整剤を投入し、炉水のｐＨ値を前記電位−ｐＨ線図の予め定められた領域よりも高くする方法である。

本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法は、炉水中に含まれるクロム酸イオンが炉内構造物等の材料表面にクロム酸化物を付着させない手段を講じているので、炉水の流れを安定化させることができ、炉水の安定流に基づくポンプ等に安定運転を行わせることができる。

以下、本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

（第１実施形態）
図９は、本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法に適用される、例えば沸騰水型原子力発電プラントの実施形態を示す概略系統図である。

沸騰水型原子力発電プラントは、原子炉圧力容器１内の炉水（冷却材）を強制的に循環させる再循環系２と、原子炉圧力容器１内の炉水を浄化する炉水浄化系３と、原子炉圧力容器１から発生した蒸気を蒸気タービン系４に供給する主蒸気系１４と、蒸気タービン系４で膨張仕事を終えたタービン排気を凝縮して復水にし、この復水を原子炉圧力容器１に給水として戻す給水系１３と、この給水系１３に接続され、原子炉圧力容器１内の炉水（冷却材）を浄化する炉水浄化系３等とで構成される原子炉一次系６を備えている。

また、再循環系２に接続するジェットポンプ８は、そのポンプの誘引力（吐出力）を利用して周囲の炉水を巻き込んで吸引した後、炉心７の下部プレナムに供給している。

また、炉水浄化系３は、炉水浄化系ポンプ９、再生熱交換器１０、非再生熱交換器１１、炉水浄化装置１２を順次直列に接続させ、炉心浄化系ポンプ９で原子炉圧力容器１の底部側あるいは下部周辺から引き抜いた炉水を再生熱交換器１０および非再生熱交換器１１で冷却させ、炉水に含まれるイオン状の物質を炉水浄化装置１２で浄化した後、再生熱交換器１０を介して加熱されて給水系１３の給水に合流させて原子炉圧力容器１に戻している。

また、蒸気タービン系４は、主蒸気系１４、蒸気タービン１５、復水器１６、復水ポンプ１７、復水浄化装置１８、給水加熱器１９、給水系１３を備えるランキンサイクルで構成されており、炉水を炉心７の燃料集合体から受ける熱によって飽和蒸気にし、この飽和蒸気を乾き蒸気にした後、蒸気タービン系４に導かれ、この蒸気タービン系４を構成する主蒸気系１４を介して蒸気タービン１５にこの蒸気が供給され、この蒸気タービン１５で膨張仕事をさせて動力を発生させる。

また、蒸気タービン系４は、膨張仕事を終えたタービン排気を復水器１６で凝縮させて復水にし、この復水を復水ポンプ１７を介して復水浄化装置１８に供給して脱塩等の浄化を行い、さらに給水加熱器１９で加熱して給水にし、この給水を給水系１３を介して再び原子炉圧力容器１に戻している。

このような構成を備える沸騰水型原子力発電プラントにおいて、第１実施形態では、原子炉圧力容器１に接続する再循環系２における再循環ポンプ５の出口側に薬液注入装置２１と炉水の水質を分析するサンプリング装置３５とを設けてクロム付着抑制装置２０を構成している。なお、このクロム付着抑制装置２０は再循環系２に設ける例で示したが、冷水浄化系３の炉水浄化装置１２より下流側または蒸気タービン系４の復水浄化装置１８より下流側に同様に設けてよいのはもちろんである。

薬液注入装置２１は、図１０に示すように、薬液タンク２２に設けた薬液投入口２３、撹拌機構２９、気体供給管２５、外部からの気体の通流を遮断するシールポット２６を備えている。

また、薬液注入装置２１は、薬液タンク２２を再循環系２に接続させる配管２７を備えるとともに、この配管２７に設けた薬液移送ポンプ２８（図１０参照）のメンテナンスを行うとき、薬液タンク２２から隔離する弁２９ａ，２９ｂを備えている。

一方、サンプリング装置３５では、サンプリング水から炉水の水質が分析され、分析されたデータ、例えば、ｐＨ値が図１で示した電位−ｐＨ線図の枠線部Ｒで囲んだ領域に存するか否かが監視される。

次に作用を説明する。

プラント運転中、サンプリング装置３５から採取した炉水のｐＨ値が図１で示した電位−ｐＨ線図の枠線部Ｒで囲まれた領域に存在し、かつジェットポンプ８等（ＡＢＷＲにおいてはインターナルポンプ）が不安定運転、例えば、振動が発生しているとき、本実施形態は、例えば水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、ニッケルや亜鉛の酸化物、水酸化物、水素化物、金属酸塩、炭酸塩、有機酸塩等のｐＨ調整剤を、薬液タンク２２の薬液投入口２３に投入する。この場合、ｐＨ調整剤を過量に投入すると、炉内構造物や配管に弊害を与えることになるので、例えば、炉水濃度で約１ｐｐｂの低濃度になるよう制限が加えられる。

薬液投入口２３に投入されたｐＨ調整剤は、薬液タンク２２に設けた撹拌機構２４で撹拌され、気体供給管２５から供給される気体の気泡で炉水に含まれる溶存酸素と分離させた後、再循環系２に供給され、ここからジェットポンプ８に送られ、高流速領域のノズル等に付着するクロム酸化物の生成を抑制する。

このように、第１実施形態は、図９に示すように、再循環ポンプ５の出口側であって、ジェットポンプ８に接続する再循環系２に薬液注入装置２１と炉水のサンプリング水を採取して炉水の水質を分析するサンプリング装置３５からなるクロム付着抑制装置２０を備え、このクロム付着抑制装置２０におけるサンプリング装置３５で分析した炉水のｐＨ値が電位−ｐＨ線図の枠線部Ｒで囲まれた領域を超えるようにｐＨ調整剤を薬液注入装置２１に投入調整（制御）してｐＨ値を高め、高めたｐＨ値によって炉内構造物等の材料表面（具体的には再循環ポンプ、ジェットポンプ、高流速流路、配管等の表面、以下同じ）にクロム酸化物を付着させないように抑制する。

したがって、第１実施形態によれば、クロム酸化物の付着抑制により、炉水の流れを安定化させることができ、炉水の安定流れに基づくポンプに安定運転を行わせ、炉心７への均一供給を図ることができる。

なお、第１実施形態は、再循環ポンプ５の出口側であって、ジェットポンプ８に至る再循環系２に薬液注入装置２１を設けたが、この例に限らず、薬液注入装置２１に置き換えて腐食電位上昇装置３０を設けてもよい。

この場合、腐食電位上昇装置３０は、図９を援用し、薬液注入装置２１の位置と同じ位置に設置される。

（第１実施形態の第１変形例）
腐食電位上昇装置３０は、図１１に示すように、薬液タンク３１の溶液を循環させ、途中にポンプ３２および溶存酸素センサ３３を介装させる薬液循環系３４を備えている。

なお、他の構成要素は、図１０で示した薬液注入装置２１の構成要素と同じであるから、ここでは同一符号を付すにとどめ、重複説明を省略する。

このような構成を備える腐食電位上昇装置３０において、プラント運転中、サンプリング装置３５から採取した炉水の電位値が図１で示した電位−ｐＨ線図の枠線部Ｒで囲まれた領域に存在し、かつジェットポンプ、インターナルポンプ等の機器に、例えば振動が発生しているとき、本実施例では、例えば、過酸化水素水または溶存酸素水等の腐食電位上昇剤を薬液タンク３１の薬液投入口２３に投入する。

薬液タンク３１の薬液投入口２３に投入される腐食電位上昇剤が過酸化水素水の場合、過酸化水素水は、撹拌機構２４によって撹拌され、均一な濃度に希釈される。

また、腐食電位上昇剤が溶存酸素水の場合、気体供給管２５から純酸素ガスが薬液タンク３１に供給され、バブリングしている間に薬液循環系３４に介装した溶存酸素センサ３３を監視しながら高濃度に維持させる。

なお、腐食電位上昇剤の初期投入に際し、過酸化水素水の場合、濃度１ｐｐｂ、溶存酸素水の場合、濃度１０ｐｐｂが目安になる。腐食電位上昇剤を過量に投入すると、炉内構造物や配管等に弊害が生成されることに基づく。

このように、本実施例は、再循環ポンプ５の出口側であって、ジェットポンプ８に接続する再循環系２に腐食電位上昇装置３０と炉水のサンプリング水を採取して炉水の水質を分析するサンプリング装置３５とを備える。サンプリング装置３５で分析した炉水の電位値が電位−ｐＨ線図の枠線部Ｒで囲まれた領域を超えるように腐食電位上昇剤を腐食電位上昇装置３０に投入して腐食電位値を高める。高めた腐食電位値によって炉内構造物等にクロム酸化物を付着させないように抑制するので、炉水の流れを安定化させることができ、炉水の安定流れに基づくポンプに安定運転を行わせることができる。

（第２実施形態）
図１２は、本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第２実施形態を示す概念図である。

第２実施形態は、図９に示された原子力発電プラントの拡開流路、縮流流路に腐食電位制御装置３６を設置したものである。なお、第１実施形態で示された構成要素と同一構成要素には同一符号を付し、重複説明を省略する。

腐食電位制御装置３６は、クロム付着抑制装置２０を構成しており、腐食電位制御対象として、例えば、炉心の周方向に沿って複数設置したジェットポンプ８に適用するもので、ジェットポンプ８の電位を測定する際、電位差計３７が使用される。

この電位差計３７は、第１電極３８を電気ケーブル３９を介装してジェットポンプ８のポンプ胴体４０に接続させるとともに、第２電極４１を電気ケーブル３９を介装してジェットポンプノズル４２の端子５４に接続させる。

また、ジェットポンプ８には、ポンプ胴体４０とジェットポンプノズル４２とを絶縁させる絶縁部４３が設けられる。なお、図中ジェットポンプノズル４２は縮流を形成する部材としてのモデルとして省略して示されている。

このような構成を備える腐食電位制御装置３６において、ジェットポンプ８にクロム酸イオンが混入する高温高圧の炉水が流れると、ポンプ胴体４０とジェットポンプノズル４２との間に電位差が生じる。

意図的に水素注入を行わない沸騰水型原子力発電プラントの炉水水質条件においては、炉水の流速が１０ｍ／ｓｅｃを超える場合、電位差は約０．１Ｖになることが知見されている。この場合、ジェットポンプノズル４２の方が低くなる。そして、クロム酸イオン濃度が上昇してくると、ジェットポンプノズル４２には、酸化クロムが析出される。

本実施形態は、このような事象を抑制するものであり、第１電極３８を第２電極４１との電位差がゼロに近付くように、電位差計３７の電気回路（図示せず）からジェットポンプノズル４２に電圧が与えられる。この場合の電位調整は、ジェットポンプ８の炉水の圧力差等の運転データを観察しながら段階的に行われる。

このように、第２実施形態は、電位差計３７の第１電極３８をポンプ胴体４０に接続し、第２電極４１をジェットポンプノズル４２に接続し、ジェットポンプノズル４２を高流速で流れる炉水に混入するクロム酸イオンの濃度が上昇し、酸化クロムが析出され、第１電極３８と第２電極４１との電位差が高くなったとき、電位差計３７からジェットポンプノズル４２に与える電流を制御して電位差をゼロに近付け、ジェットポンプノズル４２のクロム酸化物の付着を抑制するので、炉水の流れを安定化させることができ、炉水の安定流れに基づくジェットポンプ８に安定運転を行わせ、炉心７への均一供給を図ることができる。

なお、第２実施形態では、電位差計３７の第１電極３８をポンプ胴体４０に接続させ、その第２電極４１をジェットポンプノズル４２に接続させ、第１電極３８と第２電極４１との電位差から酸化クロムのジェットポンプノズル４２への付着の度合を判断し、電位差計３７からジェットポンプノズル４２に与えられる電流を抑制しつつ第１電極３８と第２電極４１との電位差をゼロに近付けるようにしたが、この例に限らず、第２実施形態の第１変形例として、例えば、図１３に示すように、電極用試験片として圧力容器４４に収容する高温高圧炉水用電極試験片４５を設け、この高温高圧炉水用電極試験片４５に電気ケーブル３９を介装して接続する第１電極３８と第２電極４１との電位差をゼロに近付けるように制御し、酸化クロムのジェットポンプノズル４２への付着を抑制してもよい。

この場合、サンプリング装置３５から採取したサンプリング水の水質を分析したデータを図１に示した電位−ｐＨ線図にプロットし、このプロットを指標にして電位差をゼロに近付けるように制御するので、精度の高い酸化クロム付着抑制を行うことができる。

なお、符号４６は、圧力容器４４のドレンを、例えばドレン溜に排出させるファンネル４６であり、圧力容器４４の入口は、バルブ５３を介装して図９に示した再循環ポンプ５に接続される。

また、他の構成は、図１２で示した構成と同じであるから、ここでは同一符号を付すにとどめ、重複説明は省略する。さらに、上記実施形態はジェットポンプの例で示したが、インターナルポンプにおいて、符号４０をハウジング、符号４２をインペラーとしても同様の作用、効果を得ることができる。すなわち、炉水流速が１０ｍ／ｓｅｃ以上の部位に適用することによって同様の作用、効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図１４は、本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第３実施形態を示す概念図である。

第３実施形態は、図９に示した再循環ポンプ５を介装する再循環系２に接続し、炉心７の周方向に沿って複数配置するジェットポンプ８に適用される。

ジェットポンプ８は、図１４に示すように、炉水の流れ方向に沿って順に、ジェットポンプノズル４２、吸込み口４６、ポンプ胴体４０、ディフューザ４７を備え、ジェットポンプノズル４２で吸い込んだ炉水を高流速化させ、その際に発生する誘引力で周囲の炉水を吸い込み、吸い込んだ炉水をポンプ胴体４０で混合させ、ディフューザ４７で混合炉水の圧力を回復させ、さらに炉心下部プレナム、炉心底部（ともに図示せず）を介装して反転させて炉心に供給している。

このような構成を備えるジェットポンプ８において、ジェットポンプノズル４２は、図１５に示すように、噴出口４８ａを１口孔タイプ、あるいは図１６に示すように、噴出口４８ｂを５口孔タイプにしている。

このような孔タイプを有するジェットポンプノズル４２およびジェットポンプ胴体４０は、空胴内面の研磨加工の際、その周方向に沿って施工加工するので、炉水の流れ方向に交差して研磨痕が残っており、炉水の流れに偏流または渦ができ、酸化クロムの付着の要因になっている。特に、噴出口４８ａ，４８ｂの炉水流速は、約５０ｍ／ｓｅｃの高速流になっており、また、ポンプ胴体４０の炉水流速は、約２５ｍ／ｓｅｃの高速流になっており、研磨痕に酸化クロムが付着し易い。

第３実施形態は、このような事情に基づいてなされたもので、図１７に示すように、ジェットポンプノズル４２の噴出口４８の内面およびポンプ胴体４０の内面を炉水の流れ方向に沿って断面山形状のＶ字形状５５に形成するか、または、第３実施形態の第１変形例として、図１８に示すように炉水の流れ方向に沿って凹凸状、具体的には断面ジグザグ状のＵ字形状５６に形成したものである。なお、Ｖ字形状５５、またはＵ字形状５６は５〜１０μｍＲａの粗さにしている。

このように、第３実施形態は、ジェットポンプノズル４２の噴出口４８の内面およびポンプ胴体４０の内面を炉水の流れ方向に沿ってＶ字形状５５またはＵ字形状５６に形成したので、炉水の流れの安定化を図ることができ、酸化クロムの付着を抑制することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態は、酸化クロムの付着抑制対策としてジェットポンプ８のジェットポンプノズル４２およびポンプ胴体４０を適用対象としたが、この実施形態にとらわれることなく、第４実施形態として例えば、図１９に示すように、炉心シュラウド（図示せず）に収容する燃料集合体４９の下部タイプレート５０におけるリークホール５１内面に酸化クロムの付着抑制策を講じてもよい。

すなわち、第４実施形態は、従来、図２０に示すように、下部タイプレート５０におけるリークホール５１の入口５１ａおよび出口５１ｂのコーナ部分が０．５Ｃの面取り加工であったが、ここを通過する炉水の流れ剥離に起因して酸化クロムの付着を抑制するために、図２１に示すように、リークホール５１の入口５１ａおよび出口５１ｂのコーナ部分に０．５Ｒの曲面５２を形成したものである。

このように、第４実施形態は、下部タイプレート５０におけるリークホール５１の入口５１ａおよび出口５１ｂのコーナ部分に曲面５２を形成し、炉水の流れを安定化させたので、炉水の不安定流れに基づく酸化クロムの付着を抑制することができる。

なお、第１から第４実施形態においては沸騰水型原子炉で説明したが、原子炉圧力容器を加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の原子炉容器（以下同様に原子炉圧力容器と呼ぶ）とその原子炉圧力容器に接続され炉水を導入する一次系配管に使用しても本発明の効果を得ることができるのはもちろんである。

本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法に適用する炉水中に含まれるクロム酸イオンの電位−ｐＨ線図。 炉水中に含まれるクロム酸イオンによって原子炉の配管にクロムが付着することを示す概念図。 原子炉一次系の拡開流路および縮流流路に炉水が流れる際、クロムが付着することを示す模式図。 原子炉一次系の拡開流路と縮流流路との交差部に面取り部を形成したときの炉水の流れを示す模式図。 原子炉一次系の拡開流路と縮流流路との交差部に曲面部を形成したときの炉水の流れを示す模式図。 原子炉一次系の流路と流路との交差部が直角になっているときの炉水の流れを示す模式図。 原子炉一次系の流路と流路との交差部が面取り部を形成したときの炉水の流れを示す模式図。 原子炉一次系の流路と流路との交差部が曲面部を形成したときの炉水の流れを示す模式図。 本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第１実施形態を示す概略プラント系統図。 本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法に適用する薬液注入装置を示す概念図。 本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第１実施形態の第１変形例を示す概念図。 本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第２実施形態を示す概念図。 本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第２実施形態の第１変形例を示す概念図。 本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第３実施形態を示す概念図。 ジェットポンプノズルの噴出口として１口孔タイプを示す図。 ジェットポンプノズルの噴出口として５口孔タイプを示す図。 本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第３実施形態を示す図。 本発明に係る原子力発電プラント炉内構造物へのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第３実施形態の第１変形例を示す図。 原子力発電プラントに適用する従来の燃料集合体を示す一部切欠概念図。 原子力発電プラントに適用する従来の燃料集合体の下部タイプレートにおけるリークホールの入口、出口のコーナに面取り加工を施工したことを示す図。 原子力発電プラントに適用する燃料集合体の下部タイプレートにおけるリークホールの入口、出口のコーナに曲面加工を施工した本発明に係る原子力発電プラントのクロム付着抑制装置およびそのクロム付着抑制方法の第４実施形態を示す図。

符号の説明

１ 原子炉圧力容器
２ 再循環系
３ 炉水浄化系
４ 蒸気タービン系
５ 再循環ポンプ
６ 原子炉一次系
７ 炉心
８ ジェットポンプ
９ 炉水浄化系ポンプ
１０ 再生熱交換器
１１ 非再生熱交換器
１２ 炉水浄化装置
１３ 給水系
１４ 主蒸気系
１５ 蒸気タービン
１６ 復水器
１７ 復水ポンプ
１８ 復水浄化装置
１９ 給水加熱器
２０ クロム付着抑制装置
２１ 薬液注入装置
２２ 薬液タンク
２３ 薬液投入口
２４ 撹拌機構
２５ 気体供給管
２６ シールポット
２７ 配管
２８ 薬液移送ポンプ
２９ａ，２９ｂ 弁
３０ 腐食電位上昇装置
３１ 薬液タンク
３２ ポンプ
３３ 溶存酸素センサ
３４ 薬液循環系
３５ サンプリング装置
３６ 腐食電位制御装置
３７ 電位差計
３８ 第１電極
３９ 電気ケーブル
４０ ポンプ胴体
４１ 第２電極
４２ ジェットポンプノズル
４３ 絶縁部
４４ 圧力容器
４５ 高温高圧炉水用電極試験片
４６ 吸込み口
４７ ディフューザ
４８ａ，４８ｂ 噴出口
４９ 燃料集合体
５０ 下部タイプレート
５１ リークホール
５１ａ 入口
５１ｂ 出口
５２ 曲面
５３ バルブ
５４ 端子
５５ Ｖ字形状
５６ Ｕ字形状

Claims (15)

1. クロム酸化物が原子炉圧力容器内に配設された炉内構造物の部材表面に付着することを抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置において、原子炉圧力容器内に冷却材を供給する原子炉一次系に薬液注入装置とサンプリング装置とを設け、このサンプリング装置により炉水の水質を分析し、分析したｐＨ値が電位−ｐＨ線図の予め定められた領域に存在するとき、前記薬液注入装置にｐＨ調整剤を供給することを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
2. 前記薬液注入装置は、薬液タンク内の炉水にｐＨ調整剤を供給する薬液投入口と、炉水に気体を供給し、この気体の気泡を利用して炉水から溶存酸素を分離させる気体供給管と、炉水を撹拌する撹拌機構と、前記薬液タンク内に外部からの気体の通流を遮断するシールポットとを備えたことを特徴とする請求項１記載の原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
3. クロム酸化物が原子炉圧力容器内に配設された炉内構造物の部材表面に付着することを抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置において、原子炉圧力容器内に冷却材を供給する原子炉一次系に腐食電位上昇装置とサンプリング装置とを設け、このサンプリング装置により炉水の水質を分析し、分析した炉水の電位が電位−ｐＨ線図の予め定められた領域に存在するとき、前記腐食電位上昇装置に腐食電位上昇剤を供給することを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
4. 前記腐食電位上昇装置は、薬液タンク内の炉水に腐食電位上昇剤を供給する薬液投入口と、炉水に気体を供給してバブリングさせる気体供給管と、炉水を撹拌する撹拌機構と、前記薬液タンク内の炉水を循環させ、中間部分にポンプ、溶存酸素センサを有する薬液循環系とを備えたことを特徴とする請求項３記載の原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
5. クロム酸化物が原子炉圧力容器内に配設された炉内構造物の部材表面に付着することを抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置において、前記炉内構造物の１０ｍ／ｓｅｃ以上の流速を有する部位に腐食電位制御装置を設けたことを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
6. 前記腐食電位制御装置は、前記炉内構造物を構成するジェットポンプのポンプ胴体とジェットポンプノズルとの電位差を計測する電極と、電位差が出たとき、電位差がゼロになるように前記ジェットポンプノズルに電流を与える電位差計とを備えたことを特徴とする請求項５記載の原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
7. 前記腐食電位制御装置は、前記炉内構造物を構成するジェットポンプノズルと炉水を充水する圧力容器に収容する高温高圧炉水用電極試験片との電位差を計測する電極と、再循環ポンプの出口側に設けたサンプリング装置により炉水の水質を分析し、分析した電位を電位−ｐＨ線図にプロットし、このプロットを指標にして前記電極で計測した電位差をゼロに近付けるように前記ジェットポンプノズルに電圧を与える電位差計とを備えたことを特徴とする請求項５記載の原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
8. クロム酸化物が原子炉圧力容器内に配設された炉内構造物の部材表面に付着することを抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置において、前記炉内構造物の１０ｍ／ｓｅｃ以上の流速を有する炉水の流路、流域の内面を炉水の流れ方向に沿って凹凸状に形成したことを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
9. 前記炉内構造物はジェットポンプであり、このジェットポンプにおけるポンプ胴体の内面を炉水の流れ方向に沿って凹凸状に形成したことを特徴とする請求項８記載の原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
10. 前記凹凸状は、Ｖ字形状およびＵ字形状のうち、いずれかであることを特徴とする請求項８または９記載の原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
11. クロム酸化物が原子炉圧力容器内に配設された炉内構造物の部材表面に付着することを抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置において、前記炉内構造物の１０ｍ／ｓｅｃ以上の流速を有する燃料集合体における下部タイプレートに設けたリークホールの入口、出口端を円弧状の曲面に形成したことを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
12. クロム酸化物が原子炉圧力容器内に配設された炉内構造物の部材表面に付着することを抑制する原子力発電プラントのクロム付着抑制装置において、前記炉内構造物の１０ｍ／ｓｅｃ以上の流速を有する炉水の流路、流域における縮拡流流路のコーナ部分および変曲流流路のコーナ部分を円弧状の曲面に形成したことを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制装置。
13. 原子炉一次系に設けたサンプリング装置によって炉水をサンプリングし、サンプリングした炉水の水質を分析し、分析したｐＨ値が電位−ｐＨ線図の予め定められた領域内にあるとき、炉水にｐＨ調整剤を投入し、炉水のｐＨ値を前記電位−ｐＨ線図の予め定められた領域よりも高くすることを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制方法。
14. 原子炉一次系に設けたサンプリング装置によって炉水をサンプリングし、サンプリングした炉水の水質を分析し、分析した電位が電位−ｐＨ線図の予め定められた領域内にあるとき、炉水に腐食電位上昇剤を供給し、炉水の電位を前記電位−ｐＨ線図の予め定められた領域よりも高くすることを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制方法。
15. 原子炉一次系に設けたジェットポンプのジェットポンプノズルと圧力容器内に充水する炉水に浸漬する高温高圧用電極試験片との電位を検出し、検出した電位を電位−ｐＨ線図にプロットし、このプロットを指標に前記ジェットポンプノズルと前記高温高圧電極試験片との電位差がゼロになるように前記ジェットポンプに電圧を加えることを特徴とする原子力発電プラントのクロム付着抑制方法。

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