JP2010054361A - 原子炉構造材、及び酸化チタンの付着量監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉を構成する配管等の構造材に対して、コバルト-60やコバルト-58などの放射性物質を取り込み難い材料を提供するとともに、その状態（付着量等）を監視する新規な技術を提供する。
【解決手段】原子炉を構成する構造材の、放射性物質と接触する表面において、酸化チタンを含む酸化被膜を形成して原子炉構造材を構成する。前記酸化チタンの付着量は、前記酸化被膜に対し、光照射装置から光照射を行って前記酸化被膜の腐食電位及び／又は電流密度を計測して行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子力発電プラントで使用される構造材に関し、特にコバルト放射性物質の付着を抑制した原子炉構造材、及びその際の酸化チタンの付着量監視方法に関する。

原子炉を構成する構造材、特に配管等においては、その内部を熱水や高温の蒸気が流れることから腐食し易く、従来、耐腐食性に富んだ材料を用いて構成していた。しかしながら、耐腐食性に富んだ材料は高価であるため、近年においては、前記配管内部の、上記熱水や高温蒸気と接する表面に酸化被膜を形成し、前記配管等の部材に耐腐食性を付与するようにしていた。

例えば、特許文献１及び２では、高温の空気やオゾンで処理することによって、配管内に耐腐食性に優れた酸化被膜を形成できることが開示されている。また、特許文献３では、配管等の構造材の表面にｐ型半導体の性質を持つ酸化物を含む酸化被膜を形成し、前記構造材に耐腐食性を付与する技術が開示されている。
特開２００４−２９４３９３号公報 特開２００２−２３６１９１号公報 特開２００６−３８４８３号公報

一方、水を冷却材として用いる軽水炉（ＬＷＲ）や沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、定検作業や予防保全工事などにおける作業員の放射線被ばく線量の低減対策が重要となっている。その対策の一環として、原子炉構造材や配管に対する化学除染を頻繁に行うようにしている。

化学除染では、化学薬品を用いた還元溶解、酸化溶解などを組み合わせることにより、上記原子炉構造材や配管の表面にある酸化皮膜を除去し、その結果、金属材料表面のクラッドや酸化皮膜中にあるコバルト-60やコバルト-58などの放射性物質を取り除くようにしている（非特許文献１）。
日本原子力学会編 「原子炉水化学ハンドブック」 コロナ社 2000年12月27日 第276頁

しかしながら除染後に原子炉を再起動すると、再び上記原子炉構造材や配管の表面に放射性物質が付着するようになるので、一定のサイクルで表面に形成した酸化被膜の除去を行い、放射性物質の除去を行う必要がある。

したがって、原子炉の稼働率を向上させるには、上述した酸化被膜除去を伴う化学除染の回数を減少させる必要がある。かかる観点より、コバルト-60やコバルト-58などの放射性物質を取り込み難い材料の開発、及び前記原子炉を稼働させている間に、前記材料の状態（付着量等）を監視できるような新たな技術の開発が望まれている。

本発明は、原子炉を構成する配管等の構造材に対して、コバルト-60やコバルト-58などの放射性物質を取り込み難い材料を提供するとともに、その状態（付着量等）を監視する新規な技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、原子炉を構成する構造材の、放射性物質と接触する表面において、酸化チタンを含む酸化被膜を形成することを特徴とする、原子炉構造材に関する。

また、本発明の他の態様は、原子炉を構成する構造材の、放射性物質と接触する表面に形成した酸化チタンを含む酸化被膜中に対し、光照射装置から光照射を行って前記酸化被膜の腐食電位及び／又は電流密度を計測し、前記酸化チタンの付着量を計測することを特徴とする、原子炉構造材における酸化チタンの付着量監視方法に関する。

本発明者らは、酸化チタンがコバルト-60やコバルト-58の吸着を著しく抑制することができることを見出した。したがって、原子炉を構成する構造材や配管の表面に、酸化チタンを含む酸化被膜を形成することによって、前記構造材及び配管の表面への上記コバルト-60やコバルト-58等の放射性物質の吸着及び取り込みを著しく低減できることを見出した。

したがって、原子炉の稼働時間が長時間化した場合においても、コバルト-60やコバルト-58等の放射性物質の吸着及び取り込みを抑制することができるので、前記原子炉の稼働時間に対する化学除染の回数を低減することができる。この結果、前記原子炉の稼働率を向上させることができる。

なお、上記酸化被膜は、酸化チタンのみから構成されることが好ましいが、酸化チタンを含む酸化被膜の形成方法や、上記原子炉を稼働し熱水等に晒されることによって、前記酸化チタン以外の酸化物が含まれていてもよい。しかしながら、前記酸化チタンは、以下に詳述するように、当初の目的を達成すべく所定の範囲の付着量を維持する必要がある。

また、構造材や配管等へのコバルト-60やコバルト-58等の放射性物質の吸着及び取り込み抑制を長時間維持するためには、前記原子炉が稼働している間においても、一定量の酸化チタンが付着している必要がある。したがって、前記原子炉の稼働中においても、前記酸化チタンの付着量を監視する必要がある。

しかしながら、上記態様の監視法によれば、前記酸化チタンを含む酸化被膜に対して、光照射装置から光照射を行うとともに、その際に得られた腐食電位及び／又は電流密度を計測するという、極めて簡易な手法で前記酸化チタンの付着量の監視を行うことができる。したがって、得られた結果を適宜フィードバックさせれば、上記原子炉の稼働中における前記酸化チタンの付着量を、常に放射性物質の吸着及び取り込みを抑制できるような範囲に設定しておくことができる。

以上説明したように、上記態様によれば、原子炉を構成する配管等の構造材に対して、コバルト-60やコバルト-58などの放射性物質を取り込み難い材料を提供するとともに、その状態（付着量等）を監視する新規な技術を提供することができる。

以下、本発明のその他の特徴及び利点について説明する。

（第１の実施形態）
図１〜３は、第１の実施形態を説明するための構成図である。図１は、軽水炉（ＬＷＲ）等の原子炉発電プラントにおける配管の一部を拡大して示す概略図である。図２は、図１に示す配管の表面に付着した酸化チタンの付着量を監視するための装置構成図であり、図３は、前記酸化チタンの付着量を計測するための説明図である。

図１に示すように、配管１１は、例えば冷却水を循環させるための配管であり、ステンレス鋼などの耐腐食性に優れた材料から構成されている。また、配管１１の下流部分には、本態様の特徴的な構成要素である酸化チタン注入装置１２が配置されているとともに、配管１１の上流部分には、同じく本態様の特徴的な構成要素である酸化チタンの付着量モニター用の装置１３が配置されている。

酸化チタン注入装置１２内には、酸化チタンが数％、例えば０．１％〜５％の割合で溶解してなる酸化チタン溶液が入っており、図示しないポンプ等によって配管１１内に注入されるようになっている。なお、前記酸化チタンは完全に溶解していても良いが、粒子状の酸化チタンが所定の溶液中に懸濁していてもよい。

酸化チタン溶液を構成する溶媒としては、水及びアルコールを例示することができる。

酸化チタン注入装置１２から上記酸化チタン溶液が配管１１内に注入されることによって、前記酸化チタン溶液を構成する溶媒は蒸発し、配管１１の表面には前記酸化チタンのみが残留し、前記酸化チタンの膜が形成されるようになる。なお、配管１１の表面に形成される膜は、酸化チタン膜のみからなることが好ましいが、その他の酸化物が含まれていてもよい。

また、原子炉を稼働させることによって、種々の放射性物質を含んだ廃液や蒸気等が配管１１内を通過するため、配管１１の表面に当初酸化チタン膜を形成した場合においても、経時的に種々の酸化物が含まれるようになり、所定の時間経過した後においては、上述した酸化チタンのみではなく、その他の酸化物を含んだ酸化被膜として形成される場合が多い。

しかしながら、前記酸化チタンは、以下に詳述するように、当初の目的を達成すべく所定の範囲の付着量を維持する必要がある。

上記酸化チタンを含む酸化被膜が形成されることによって、配管１１の表面への上記コバルト-60やコバルト-58等の放射性物質の吸着及び取り込みを著しく低減できる。したがって、原子炉の稼働時間が長時間化した場合においても、コバルト-60やコバルト-58等の放射性物質の吸着及び取り込みを抑制することができるので、前記原子炉の稼働時間に対する化学除染の回数を低減することができる。この結果、前記原子炉の稼働率を向上させることができる。

なお、上述した作用効果をより効果的に実現するためには、上記酸化チタンの付着量は、１５μｇ／ｃｍ^２〜３０μｇ／ｃｍ^２であることが好ましい。

さらに、上記酸化チタンの付着量は、上述した酸化チタン溶液中での酸化チタンの濃度を変化させることの他に、前記酸化チタン溶液の配管１１内に注入する際の流速を制御することによっても実施することができる。流速を低下させれば、酸化チタンの付着量を増大させることができ、流速を増大させれば、酸化チタンの付着量を低下させることができる。

酸化チタンの付着量モニター用の装置１３は、配管１１から分岐された分岐路１４及び光学処理系１５を有している。

光学処理系１５は、分岐路１４に対して光学処理系１５を取り付け、及び固定するための固定部材１５１を有しており、固定部材１５１は、その内部を分岐路１４が貫通するように構成されている。また、固定部材１５１の一端側には光発生装置１５２が設けられている。さらに、固定部材１５１の他端には、分岐路１４内に表面が露出するようにして試験片１５３が設けられている。

光発生装置１５２は、好ましくは波長ピークが２５４ｎｍ又は３６５ｎｍであって、パワー密度が１０μＷ／ｃｍ^２〜２０００μＷ／ｃｍ^２の範囲である光を用いることが好ましい。これによって、以下に示すような酸化チタンの付着量を計測する際の、精度を向上させることができる。

なお、以下に説明するように、光学処理系１５においては、試験片１５３に付着した酸化チタン量をもって、配管１１の表面に付着した酸化チタン量としている。

試験片１５３の裏面には、ポテンシオスタット１５４が接続されており、さらにその後方にはパーソナルコンピュータ１５５が接続されている。

次に、上述した光学処理系１５を用いた配管１１内の酸化チタンの付着量の計測方法について説明する。

上述したようにして、酸化チタン注入装置１２から配管１１内に酸化チタン（溶液）が注入されると、前記酸化チタン（溶液）は分岐路１４中にも導入され、分岐路１４中に設けられた試験片１５３の表面にも付着するようになる。このとき試験片１５３の前記表面に対して光発生装置１５２から透過窓１５７を介して所定の光Ｌが照射されると、試験片１５３に付着した上記酸化チタンとの間に光反応が生じるようになる。

一方、上述した光反応が生じると、それに伴って種々の電位や電流が生じるようになる。また、前記電位や前記電流は、前記光反応の状態、具体的には試験片１５３の表面に付着した上記酸化チタン量によって変化する。したがって、光反応に伴う上記電位や電流をポテンシオスタット１５４で測定することによって、試験片１５３に付着した前記酸化チタン量を知ることができる。

なお、パーソナルコンピュータ１５５は、ポテンシオスタット１５４で測定した電位や電流に基づいて、酸化チタンの付着量を自動的に計算し、グラフ化したりする機能を有している。また、以下に説明するように、計測した酸化チタンの付着量に基づいて、配管１１内の表面に最適な量の酸化チタンが付着するように、酸化チタン注入装置に対して制御信号を送信し、配管１１内に注入すべき酸化チタン（溶液）の量を最適化するような機能を有している。

図３は、上述した光学処理系１５を用いて測定した酸化チタンの付着量と腐食電位との関係を示すグラフである。なお、測定は、ピーク波長２５４ｎｍ、強度０．２ｍＷ／ｃｍ^２の光を、試験片１５３の表面に照射することにより実施した。

図３から明らかなように、酸化チタンの付着量が増大するにつれて、腐食電位が低下し、両者に相関のあることが分かる。したがって、試験片１５３に付着した酸化チタンの腐食電位を計測することによって、配管１１内に付着した酸化チタンの付着量を知ることができる。

なお、図３から明らかなように、酸化チタンの付着量を１５μｇ／ｃｍ^２以上とするには、腐食電位が−０．２Ｖ（ＳＨＥ）以下でなければならない。したがって、光学処理系１５によって得られた腐食電位が−０．２Ｖ（ＳＨＥ）よりも大きいような場合は、配管１１の表面に付着している酸化チタンの量が１５μｇ／ｃｍ^２より少ないことを示しているので、パーソナルコンピュータ１５５から酸化チタン注入装置１２に対して制御信号を送信し、酸化チタンの濃度を増大させる及び／又は酸化チタン溶液の配管１１内での流速を低下させることによって、その付着量を増大させることができる。

（第２の実施形態）
図４及び図５は、第２の実施形態を説明するための構成図である。図４は、第１の実施形態の図２に相当する酸化チタンの付着量を監視するための装置構成図であり、図５は、前記酸化チタンの付着量を計測するための説明図である。

本態様では、酸化チタンの付着量を計測する光学処理系１５において、試験片１５３が配置されている分岐路１４がＬ字型の屈曲し、試験片１５３がその角部に配置されている点で、第１の実施形態に示す光学処理系と相違している。

この場合、試験片１５３の屈曲部１５３Ａは、酸化チタンを含む溶液の流れ方向と直角となる。したがって、試験片１５３に対する酸化チタンの付着量を増大させることができ、配管１１の表面に付着した酸化チタンの付着量をより正確に知ることができるようになる。

図５は、上述した光学処理系１５を用いて測定した酸化チタンの付着量と電流密度との関係を示すグラフである。なお、測定は、ピーク波長２５４ｎｍ、パワー密度０．２ｍＷ／ｃｍ^２の光を、試験片１５３の表面に照射することにより実施した。

図５から明らかなように、酸化チタンの付着量が増大するにつれて、電流密度が増大し、両者に相関のあることが分かる。したがって、試験片１５３に付着した酸化チタンの電流密度を計測することによって、配管１１内に付着した酸化チタンの付着量を知ることができる。

なお、図５から明らかなように、酸化チタンの付着量を１５μｇ／ｃｍ^２以上とするには、電流密度が５μＡ／ｃｍ^２以上でなければならない。したがって、光学処理系１５によって得られた電流密度が５μＡ／ｃｍ^２よりも小さいような場合は、配管１１の表面に付着している酸化チタンの量が１５μｇ／ｃｍ^２より少ないことを示しているので、パーソナルコンピュータ１５５から酸化チタン注入装置１２に対して制御信号を送信し、酸化チタンの濃度を増大させる及び／又は酸化チタン溶液の配管１１内での流速を低下させることによって、その付着量を増大させることができる。

（第３の実施形態）
図６〜８は、第３の実施形態を説明するための構成図である。図６は、第１の実施形態の図２に相当する酸化チタンの付着量を監視するための装置構成図であり、図７及び８は、前記酸化チタンの付着量を計測するための説明図である。

本態様では、酸化チタンの付着量を計測する光学処理系１５において、透過窓１５７を試験片１５３に向けて可動に配置している点で、第１の実施形態に示す光学処理系と相違している。

この場合、試験片１５３が配置された分岐路１４の径を自在に制御することができるので、分岐路１４中を通過する酸化チタンを含む溶液の流速を変化させることができる。例えば、透過窓１５を試験片１５３に接近させて配置し、分岐路１４の径を増大させれば、前記溶液の流路を増大させることができ、透過窓１５を試験片１５３から離隔して配置し、分岐路１４の径を減少させれば、前記溶液の流路を減少させることができる。

したがって、異なる径の配管に対する酸化チタンの付着量を計測する場合に、それぞれの配管に対する流動条件を近似させることができるようになる。結果として、異なる径の配管においても、図６に示すような光学処理系１５を用いれば、前記配管に対するより正確な酸化チタンの付着量を計測することができる。

なお、透過窓１５７は上述のような可動方式のみならず、適宜取り外し可能な部材として構成することができ、分岐路１４の所望する径に応じて固定部材１５１の適当な箇所に配置し、固定することができる。

図７は、酸化チタンの付着量１５μｇ／ｃｍ^２での、腐食電位と酸化チタン溶液の流速との関係を示すグラフである。なお、測定に使用した光は、２５４ｎｍに波長ピークを有し、その際の光強度をパラメータとして示した。図７から明らかなように、流速が増大するにつれて腐食電位が増大することが分かる。

また、図７から明らかなように、光強度が増大するにつれて、腐食電位の流速依存性が減少することが分かる。これは、流速が増大することで、酸化種の限界電流密度が増加するためである。したがって、酸化チタンの付着量（腐食電位）と酸化チタン溶液の流速とに応じて、適当な光強度を選択することによって、付着した酸化チタンの量をより正確に計測することができるようになる。

参考のため、図８には、付着量１５〜３０μｇ/ｃｍ^２で腐食電位−０．２Ｖ（ＳＨＥ）を達成するための流速と光量の関係を示した。したがって、光強度及び流速が図８の射線で示す領域にあり、その時の腐食電位が−０．２Ｖ（ＳＨＥ）であれば、配管１１の表面における酸化チタンの付着量は必然的に１５〜３０μｇ/ｃｍ^２となる。

したがって、上述した作用効果、すなわち、コバルト-60やコバルト-58等の放射性物質の吸着及び取り込みを著しく低減でき、原子炉の稼働時間が長時間化した場合においても、コバルト-60やコバルト-58等の放射性物質の吸着及び取り込みを抑制することができるようになる。結果として、前記原子炉の稼働時間に対する化学除染の回数を低減することができ、前記原子炉の稼働率を向上させることができる。

（第４の実施形態）
図９は、第４の実施形態を説明するための構成図である。図９は、第１の実施形態の図２に相当する酸化チタンの付着量を監視するための装置構成図である。

本態様では、酸化チタンの付着量を計測する光学処理系１５において、光発生装置１５２に代えて、Ｘ線発生装置１５８を用いる点で相違している。したがって、本態様では、上述したように、腐食電位や電流密度を計測する代わりに、Ｘ線回折ピーク強度に基づいて、配管１１の表面に対する酸化チタンの付着量を計測する。

なお、特に図示しないが、Ｘ線発生装置１５８に代えて、ラマン分光装置を用い、前記酸化チタンの付着量をラマン散乱光のスペクトル強度に基づいて計測することもできる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

例えば、上記態様では、配管１１内に付着させる酸化チタンについて具体的に示しているが、本発明は、原子炉を構成する配管以外の構造材に対しても当然に用いることができる。

第１の実施形態における、軽水炉（ＬＷＲ）等の原子炉発電プラントにおける配管の一部を拡大して示す概略図である。 図１に示す配管の表面に付着した酸化チタンの付着量を監視するための装置構成図である。 第１の実施形態における、前記酸化チタンの付着量を計測するための説明図である。 第２の実施形態における酸化チタンの付着量を監視するための装置構成図である。 第２の実施形態における、前記酸化チタンの付着量を計測するための説明図である。 第３の実施形態の酸化チタンの付着量を監視するための装置構成図である。 第３の実施形態における、前記酸化チタンの付着量を計測するための説明図である。 同じく、第３の実施形態における、前記酸化チタンの付着量を計測するための説明図である。 第３の実施形態の酸化チタンの付着量を監視するための装置構成図である。

符号の説明

１１ 配管
１２ 酸化チタン注入装置
１３ 酸化チタンの付着量モニター用の装置
１４ 分岐路
１５ 光学処理系
１５１ 固定部材
１５２ 光発生装置
１５３ 試験片
１５４ ポテンシオスタット
１５５ パーソナルコンピュータ
１５７ 透過窓
１５８ Ｘ線発生装置

Claims (13)

1. 原子炉を構成する構造材の、放射性物質と接触する表面において、酸化チタンを含む酸化被膜を形成することを特徴とする、原子炉構造材。
2. 前記構造材は配管であって、前記酸化被膜は前記酸化チタンを含む溶液を前記配管内に注入して形成することを特徴とする、請求項１に記載の原子炉構造材。
3. 前記酸化チタンの付着量が、１５μｇ／ｃｍ^２〜３０μｇ／ｃｍ^２であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の原子炉構造材。
4. 前記溶液の前記配管内での流速を変化させることによって、前記酸化チタンの付着量を制御することを特徴とする、請求項２又は３に記載の原子炉構造材。
5. 原子炉を構成する構造材の、放射性物質と接触する表面に形成した酸化チタンを含む酸化被膜に対し、光照射装置から光照射を行って前記酸化被膜の腐食電位及び／又は電流密度を計測し、前記酸化チタンの付着量を計測することを特徴とする、原子炉構造材における酸化チタンの付着量監視方法。
6. 前記光照射は、波長ピークが２５４ｎｍ又は３６５ｎｍであって、パワー密度が１０μＷ〜２０００μＷ／ｃｍ^２の範囲である光を用いて行うことを特徴とする、請求項５に記載の酸化チタンの付着量監視方法。
7. 前記酸化チタンの付着量の計測は、前記構造材の、前記酸化被膜が形成される面に対して露出するようにして配置した試験片を用いて行うことを特徴とする、請求項５又は６に記載の酸化チタンの付着量監視方法。
8. 前記構造材は配管であって、前記試験片は前記配管から分岐した分岐路に露出するようにして配置することを特徴とする、請求項７に記載の酸化チタンの付着量監視方法。
9. 前記試験片は、少なくとも一部が前記分岐路中の、前記酸化チタンを含む溶液の流れ方向と直角となるように形成された部分を有することを特徴とする、請求項８に記載の酸化チタンの付着量監視方法。
10. 前記試験片と相対向するようにして光透過部材を設け、前記試験片と前記光透過部材との距離を変化させることにより、前記分岐路の少なくとも一部における径を変化させ、前記分岐路中を流れる前記酸化チタンを含む溶液の流速を変化させることを特徴とする、請求項８に記載の酸化チタンの付着量監視方法。
11. 前記光照射装置に代えてＸ線発生装置を用い、前記酸化チタンの付着量をＸ線回折ピーク強度に基づいて計測することを特徴とする、請求項５〜１０のいずれか一に記載の酸化チタンの付着量監視方法。
12. 前記光照射装置に代えてラマン分光装置を用い、前記酸化チタンの付着量をラマン散乱光のスペクトル強度に基づいて計測することを特徴とする、請求項５〜１０のいずれか一に記載の酸化チタンの付着量監視方法。
13. 前記酸化チタンの付着量の監視結果に基づいて、前記酸化チタンの前記原子炉構造材への付着量を制御する工程を具えることを特徴とする、請求項５〜１２のいずれか一に記載の酸化チタンの付着量監視方法。

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