JP2009281893A - 沸騰水型原子炉プラントおよびそのタービン系線量低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン系に移行するＮ−１６が低減し、炉水改質に伴うタービン系線量増加を防止できる沸騰水型原子炉プラントおよびそのタービン系線量低減方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る沸騰水型原子炉プラント１０では、炉心部で温められた炉水或いは蒸気の循環経路のうち炉心部で生じるチェレンコフ光が到達する位置に設けられ、チェレンコフ光の照射を受けてアンモニアの酸化力が増幅される光触媒層としての酸化チタン層１１を備えるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉プラントの放射線線量低減技術に係わり、特に原子炉圧力容器で発生した高圧蒸気を動力エネルギーとして受け入れるタービン系の線量低減技術に関する。

原子力発電プラントにおける炉心部では、たとえば式(1)に従い、炉水の酸素から高エネルギーガンマ線を放出する窒素同位体（Ｎ−１６）が生成する。このＮ−１６は、半減期７．１秒、ガンマ線エネルギー６．１２９ＭｅＶを持つ。
［化１］
Ｏ−１６（ｎ,ｐ）Ｎ−１６， (1)
〔記号の説明〕
Ｏ…酸素,Ｎ…窒素,ｎ…中性子,ｐ…プロトン,（ｎ,ｐ）…中性子吸収およびベータ壊変．

沸騰水型原子炉プラントにあっては、原子炉圧力容器とタービン系が蒸気案内管で直接連結される。このため、炉心部で生成したＮ−１６は、タービン系に移行しやすく、タービン建屋における放射線およびスカイシャインの支配的線源となる。従来、沸騰水型原子炉プラントにあっては、タービン建屋およびこれに関わる全ての系統を堅牢に遮蔽することで、タービン系線量の低減を図ると共に放射線の建屋外漏洩を防いでいる（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、近年、炉水の循環系路に配備される機器・配管の応力腐食割れを防止する目的で、防食効果を高める貴金属を炉水の循環経路に注入する技術が導入されている（特許文献２参照）。また、同様の目的で、炉水の循環経路に水素、アンモニア或いはヒドラジンを注入し、炉水中の溶存酸素を低減させる技術が導入されている（たとえば、特許文献３参照）。
特開2000-147178号公報 特開2001−276628号公報 特開平7−20281号公報

応力腐食割れ防止の技術は、いずれもプラント保全の観点から好ましいものの、その導入にあたり炉水が還元雰囲気に改質される。炉水が還元雰囲気となれば、たとえば式(2)に従い、窒素化合物の形態変化が生じやすいものとなる。
［化２］
ＮＯ₃- → ＮＯ₂- → ＮＯ → ＮＨ₃, (2)

生成されるＮＨ₃、ＮＯ或いはＮＯ₂は、いずれも揮発しやすく原子炉各系統内を移行しやすい化学形態である。このため、原子炉圧力容器からタービン系へと移行するＮ−１６の増加をもたらし、タービン建屋の遮へい措置の規模拡大を招来する結果となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、タービン系に移行するＮ−１６が低減し、炉水改質に伴うタービン系線量増加を防止できる沸騰水型原子炉プラントおよびそのタービン系線量低減方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る沸騰水型原子炉プラントでは、炉心部で温められた炉水或いは蒸気の循環経路のうち炉心部で生じるチェレンコフ光が到達し炉水が存在する位置に、チェレンコフ光の照射を受けてアンモニアの酸化力が増幅される光触媒層が設けられることを特徴とする。

また、本発明に係る沸騰水型原子炉プラントのタービン系線量低減方法では、炉水或いは蒸気に含まれるアンモニアを酸化分解するプロセスと、酸化分解されずに炉水或いは蒸気中に残存するアンモニアを補足するプロセスと、アンモニアが酸化分解されて生成する硝酸を補足するプロセスと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、タービン系に移行するＮ−１６が低減し、炉水改質に伴うタービン系線量増加を防止できる。

本発明に係る沸騰水型原子炉プラントおよびそのタービン系線量低減方法の実施形態を、添付図面を参照して説明する。

[第１実施形態]
図１は本発明に係る沸騰水型原子炉プラントの第１実施形態を示す図であり、(a)は原子炉圧力容器の概略図、(b)は(a)のＰ部の拡大模式図である。

本実施形態の沸騰水型原子炉プラント１０は、図１(a)および(b)に示すように、光触媒層としての酸化チタン層１１と、アンモニア吸着層としてのゼオライト層１２と、硝酸吸着層としての活性炭素層１３と、を備える。

沸騰水型原子炉プラント１０における酸化チタン層１１は、図１(a)に示すように、原子炉圧力容器２０に格納されるセパレータ２１の下部で、炉水に浸水した位置に設けられる。セパレータ２１とは、原子炉圧力容器２０内部の炉心部３０上方に配置されるステンレス製構造物であり、炉心部３０で温められて沸騰した炉水および蒸気の二相流を気液分離する気水分離器である。

酸化チタン層１１は、金属焼結体の表面および空隙壁に酸化チタンを付着させて構成された多孔質体である。酸化チタン層１１に付着される酸化チタンは、炉心部３０および炉水２２中で生じるチェレンコフ光（紫外線）の照射を受けてアンモニアの酸化力が増幅される特性を有する。

沸騰水型原子炉プラント１０におけるゼオライト層１２は、セパレータ２１の構造体表面もしくは、その下方に位置する原子炉構造材２３の表面のうち炉水或いは蒸気の接触部に設けられる。

ゼオライト層１２は、金属焼結体の表面および空隙壁にゼオライト（沸石）の一種であるモレキュラーシーブスを付着させて構成された多孔質体である。ゼオライト層１２に付着されるゼオライトは、アンモニアを強力に吸着する特性を有する。なお、ゼオライトの種類は特に制限されるものではないが、モレキュラーシーブスは他のゼオライトと比較して多孔質性に富み、セパレータ２１上下の原子炉圧力容器２０内部に生じる差圧増大を抑制するのに有効である。

沸騰水型原子炉プラント１０における活性炭素層１３は、セパレータ２１或いはドライヤ２４の構造体表面のうち蒸気の接触面に設けられる。ドライヤ２４は、原子炉圧力容器２０内部のうちセパレータ２１上方に設置されるステンレス製構造物であり、セパレータ２１から供給される湿り蒸気の湿分を低減し、タービンに案内される蒸気を乾燥させるものである。

活性炭素層１３は、金属焼結体の表面および空隙壁に活性炭素を付着させて構成された多孔質体である。活性炭素層１３に付着される活性炭素は、窒素酸化物である硝酸を吸着する特性を有する。

次に、沸騰水型原子炉プラント１０の作用を説明する。

一般に、沸騰水型原子炉プラントにあっては、タービン建屋の放射線およびスカイシャインの線量低減を図るため、タービン系に堅牢な遮へい措置が採られている。近年開発されている炉水の改質技術の導入を想定すると、この遮へい措置の拡大を要するおそれがある。
タービン系の線量低減を図るにあたっては、炉心部からタービン系へと移行する放射性核種をその移行途中で捕捉するなどして、放射性核種を減衰させる方法が考えられる。しかし、この場合、放射性核種と共に炉水に注入される薬剤が捕捉されることにより、プラント保全にかかわる所期の目的が阻害されないことが求められる。
沸騰水型原子炉プラント１０では、タービン系の線量低減とプラント保全維持とが両立される。

図２は沸騰水型原子炉プラント１０の作用説明図である。
炉心部３０（図１参照）で温められた炉水は、図２に示すように、先ず、チェレンコフ光の照射を受けてアンモニアの酸化力が増幅される光触媒層としての酸化チタン層１１を通過する。この光触媒層では、窒素化合物の形態のうち、揮発性を有して炉水或いは蒸気中を移行しやすいアンモニア（ＮＨ_３）およびアンモニアイオン（ＮＨ^4＋）が酸化される。このアンモニア酸化反応は、式(3)或いは式(4)で表される。このアンモニアの酸化分解により、アンモニアに含まれていた窒素同位体Ｎ−１６の移行速度は遅延し、タービン系に至るＮ−１６が減衰する。
［化３］
ＮＨ_４＋ＴｉＯ_２＋ＵＶ（チェレンコフ光）→ＨＮＯ_３ (3)
ＮＨ_３＋ＴｉＯ_２＋ＵＶ（チェレンコフ光）→ＨＮＯ_２ (4)

また、原子炉圧力容器２０内の炉水或いは蒸気は、図２に示すように、光触媒層の通過に次いでアンモニア吸着層としてのゼオライト層１２を通過する。このため、光触媒層で酸化分解されず炉水或いは蒸気に残量したアンモニアが、このアンモニア吸着層で吸着される。さらに、原子炉圧力容器２０内の炉水或いは蒸気は、アンモニア吸着層の通過に次いで硝酸吸着層としての活性炭素層１３を通過する。このため、アンモニア酸化反応により生成し炉水或いは蒸気に溶存する硝酸（ＨＮＯ_３）および亜硝酸（ＨＮＯ_２）が吸着される。

すなわち、沸騰水型原子炉プラント１０では、炉心部３０で温められた炉水或いは蒸気に溶存するアンモニアを酸化分解するプロセス、酸化分解されずに炉水或いは蒸気中に残存するアンモニアを補足するプロセス、および、アンモニアが酸化分解されて生成する硝酸を補足するプロセスが実施される。

次に、沸騰水型原子炉プラント１０の効果を説明する。

沸騰水型原子炉プラント１０にあっては、
(1) 炉心部３０で温められた炉水或いは蒸気の循環経路のうち炉心部３０で生じるチェレンコフ光が到達し炉水が存在する位置に、チェレンコフ光の照射を受けてアンモニアの酸化力が増幅される光触媒層が設けられる。このため、タービン系に移行するＮ−１６が低減し、炉水改質に伴うタービン系線量増加を防止できる。

(2) 心部３０で温められた炉水或いは蒸気の循環経路に、アンモニア吸着層が設けられる。このため、光触媒層で酸化されずに炉水或いは蒸気に残留するアンモニアを吸着でき、(1)の効果を高めることができる。

(3) 心部３０で温められた炉水或いは蒸気の循環経路のうち光触媒層が設けられる位置よりも炉水或いは蒸気の循環方向下流側または前記光触媒層の上に硝酸吸着層が設けられる。このため、光触媒層におけるアンモニア酸化分解で生成する硝酸および亜硝酸を吸着でき、(1)の効果を高めることができる。

[第２実施形態]
図３は本発明に係る沸騰水型原子炉プラントの第２実施形態を示す図であり、(a)は全体図、(b)は(a)のＱ部およびＲ部の拡大模式図である。

第２実施形態は、第１実施形態の沸騰水型原子炉プラント１０における光触媒層の配置を変形した例である。なお、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は、符号末尾に「Ａ」を付して説明する。

沸騰水型原子炉プラント１０Ａにあっては、図３に示すように、光触媒層としての酸化チタン層１１Ａが、炉心部３０の周囲に設けられる。

炉心部３０の周囲とは、原子炉圧力容器２０内部に格納されて燃料を束ねる燃料バンドル（不図示）の周囲などをいう。このため、光触媒層に対し炉心部３０で生じるチェレンコフ光が効率よく照射され、アンモニア酸化作用が向上する。すなわち、(1)の効果を高めることができる。

[第３実施形態]
図４は本発明に係る沸騰水型原子炉プラントの第３実施形態を示す図であり、(a)は全体図、(b)は(a)のＰ部拡大図、(c)は(a)のＳ部の拡大模式図である。

第３実施形態は、第１実施形態の沸騰水型原子炉プラント１０にアンモニア吸着層および硝酸吸着層を追加した例である。なお、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は、符号末尾に「Ｂ」を付して説明する。

沸騰水型原子炉プラント１０Ｂは、基材２５上にアンモニア吸着層としてのゼオライト層１２Ｂと、硝酸吸着層としての活性炭素層１３Ｂと、を備える。沸騰水型原子炉プラント１０Ｂにおけるゼオライト層１２Ｂおよび活性炭素層１３Ｂは、原子炉再循環系４０の再循環系配管４１の内部に設けられる。そして、炉心部３０で温められた炉水の案内方向上流側から下流側に向かって、基材２５上にゼオライト層１２Ｂ、活性炭素層１３Ｂの順序で上下層に設けられる。なお、原子炉再循環系４０は、炉水を強制的に循環させ、炉心部３０の冷却及び原子炉出力を制御するものである。

沸騰水型原子炉プラント１０Ｂでは、原子炉再循環系４０の配管４１内においてもアンモニアおよび硝酸が吸着される。すなわち、第１実施形態で示した(1)の効果が高められる。

以上、本発明に係る沸騰水型原子炉プラントを第１実施形態〜第３実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。

図５は沸騰水型原子炉プラントのバリエーションを示す図であり、(a)は光触媒層の配置の変更例を示す図、(b)はアンモニア吸着層の設置数の変更例を示す図である。

たとえば図５(a)に示すように、光触媒層１１Ｃを、制御棒５０の挿入部を除く炉心部３０全体を覆うように設けても良い。炉心部３０全体が光触媒層１１Ｃに覆われると、この光触媒層１１Ｃに対し炉心部３０で生じるチェレンコフ光が効率よく照射され、アンモニア酸化作用が向上する。

また、光触媒層、アンモニア吸着層および硝酸吸着層の設置数や容積は、特に制限されない。たとえば、図５(b)に示すように、アンモニア吸着層１２Ｄを増設して、炉水或いは蒸気のアンモニア溶存量増加に対応できる。

また、光触媒層は、酸化チタン層である必要はなく、炉心部で生じるチェレンコフ光（紫外線）の照射を受けてアンモニアの酸化力が増幅されるものであれば良い。アンモニア吸着層は、ゼオライト層である必要はなく、炉水或いは蒸気に溶存するアンモニアを吸着するものであれば良い。硝酸吸着層は、活性炭素層である必要はなく、炉水或いは蒸気に溶存する硝酸を吸着するものであれば良い。加えて、各層は金属の焼結体を用いて構成する例を示したが、各層をセラミックスの焼結体を用いて構成しても良い。

また、アンモニア吸着層は、原子炉圧力容器内に格納され、金属或いはセラミックスの焼結体により形成されると共にゼオライトが付着されたセパレータ２１であっても良い。硝酸吸着層は、原子炉圧力容器内に格納され、金属或いはセラミックスの焼結体により形成されると共に活性炭素が付着されたドライヤであっても良い。

本発明に係る沸騰水型原子炉プラントの第１実施形態を示す図であり、(a)は原子炉圧力容器の概略図、(b)は(a)のＰ部の拡大模式図。 本発明に係る沸騰水型原子炉プラントの作用説明図。 本発明に係る沸騰水型原子炉プラントの第２実施形態を示す図であり、(a)は全体図、(b)は光触媒層が設けられた炉心部の断面図、(c)は(a)のＱ部およびＲ部の拡大模式図。 本発明に係る沸騰水型原子炉プラントの第３実施形態を示す図であり、(a)は全体図、(b)は(a)のＰ部拡大図、(c)は(a)のＳ部の拡大模式図。 本発明に係る沸騰水型原子炉プラントのバリエーションを示す図であり、(a)は光触媒層の配置の変更例を示す図、(b)はアンモニア吸着層の数の変更例を示す図。

符号の説明

１０（１０Ａ,１０Ｂ）…沸騰水型原子炉プラント, １１（１１Ａ）…酸化チタン層（光触媒層）, １２（１２Ｂ）…ゼオライト層（アンモニア吸着層）, １３（１３Ｂ）…活性炭素層（硝酸吸着層）, ２０…原子炉圧力容器, ２１…セパレータ, ２３…原子炉構造材, ２４…ドライヤ, ３０…炉心部, ４０…原子炉再循環系, ４１…再循環系配管。

Claims (14)

1. 炉心部で温められた炉水或いは蒸気の循環経路のうち炉心部で生じるチェレンコフ光が到達し炉水が存在する位置に、チェレンコフ光の照射を受けてアンモニアの酸化力が増幅される光触媒層が設けられることを特徴とする沸騰水型原子炉プラント。
2. 炉心部で温められた炉水或いは蒸気の循環経路に、アンモニア吸着層が設けられることを特徴とする請求項１に記載した沸騰水型原子炉プラント。
3. 前記アンモニア吸着層は、前記光触媒層の下流側または前記光触媒層の上に設けられることを特徴とする請求項２に記載の沸騰水型原子炉プラント。
4. 炉心部で温められた炉水或いは蒸気の循環経路のうち前記光触媒層が設けられる位置よりも炉水或いは蒸気の循環方向下流側または前記光触媒層の上に硝酸吸着層が設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載した沸騰水型原子炉プラント。
5. 前記硝酸吸着層は、前記アンモニア吸着層の上に設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載した沸騰水型原子炉プラント。
6. 前記光触媒層は、金属或いはセラミックスの焼結体に酸化チタンを付着させた多孔質体により構成され、
   前記アンモニア吸着層は、金属或いはセラミックスの焼結体にゼオライトを付着させた多孔質体により構成され、
   前記硝酸吸着層は、金属或いはセラミックスの焼結体に活性炭素を付着させた多孔質体により構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載した沸騰水型原子炉プラント。
7. 前記光触媒層は、原子炉圧力容器に格納されるセパレータ下部の基材表面に設けられることを特徴とする請求項１に記載した沸騰水型原子炉プラント。
8. 前記光触媒層は、原子炉圧力容器に格納される燃料バンドルの基材表面に設けられることを特徴とする請求項１に記載した沸騰水型原子炉プラント。
9. 前記アンモニア吸着層は、原子炉圧力容器に格納されるセパレータの蒸気接触部に設けられることを特徴とする請求項２に記載した沸騰水型原子炉プラント。
10. 前記アンモニア吸着層は、金属或いはセラミックスの焼結体により形成されると共にゼオライトが付着されたセパレータに設けられることを特徴とする請求項９に記載した沸騰水型原子炉プラント。
11. 前記硝酸吸着層は、原子炉圧力容器内に格納されるドライヤまたはセパレータの蒸気接触部に設けられることを特徴とする請求項４に記載した沸騰水型原子炉プラント。
12. 前記硝酸吸着層は、金属或いはセラミックスの焼結体により形成されると共に活性炭素が付着されたドライヤまたはセパレータに設けられることを特徴とする請求項４に記載した沸騰水型原子炉プラント。
13. アンモニア吸着層および硝酸吸着層を、原子炉圧力容器内部および原子炉再循環系の配管内面に設けたことを特徴とする請求項１に記載した沸騰水型原子炉プラント。
14. 炉水或いは蒸気に含まれるアンモニアを酸化分解するプロセスと、
    酸化分解されずに炉水或いは蒸気中に残存するアンモニアを補足するプロセスと、
    アンモニアが酸化分解されて生成する硝酸を補足するプロセスと、
    を有することを特徴とする沸騰水型原子炉プラントのタービン系線量低減方法。

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