JP2010540928A - アルコ−ル注入器を備える、沸騰水型原子力発電プラント - Google Patents

アルコ−ル注入器を備える、沸騰水型原子力発電プラント Download PDF

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Abstract

BWR(20)、BWR(20)を冷却する反応器冷却システム、反応器冷却システムに接続されたHWC水素注入システム(60)、及び反応器冷却システムに接続されたアルコール注入システム(100)を含む、原子力発電プラント(10)を提供する。また、メタノールと水素の供給方法も提供する。

Description

本発明は、原子力発電プラント全般に関し、とりわけ沸騰水型反応器(BWR)を有する原子力発電プラントに関する。
背景技術
BWRの冷却水中にある、酸素や過酸化水素のようなオキシダントにより引き起こされる酸化は、反応器構成要素に対して応力腐食割れ(SCC)を引き起こすことがあり、そして燃料ピンのジルコニウム合金クラッディングの腐蝕につながりうる。反応器構成要素、例えば反応器圧力容器(RPV)、BWR内部部品のための公知のSCC減少策は、貴金属化学添加(NMCA:貴金属注入)、及び水素水化学(HWC:水素注入)である。これらのSCC減少策は、内部部品のSCCを減少させることができるが、燃料ピンクラッディングの腐蝕を増加させることがある。
NMCA法は例えば、米国特許No5,818,893、5,904,991、及び6,793,883に記載されており、ここで定義されているようにNMCAは、貴金属のオンライン添加、若しくはオフライン添加を両方とも含むことができる。
NMCAと一緒に使用されるHWCは、米国特許出願No.2005/0018805の背景技術部分に記載されており、ここにはヒドラジンのような還元性窒素化合物と、水素との組合せの適用も記載されている。メタノールのようなアルコールをヒドラジンと組み合わせる適用も開示されている。DE10030726が記載しているのは、反応器内部部品へ堆積するための光触媒物質の適用であり、水素又はメタノールの注入について言及している。
酸化効果を減少させるためのメタノールの適用は、米国特許出願公報No.2005/0135542に記載されており、また2005年10月11〜13日、韓国のGyeongjuで「Proc.Symp.on Water Chemistry and Corrosion of Nuclear Power Plants in Asia」において、Saneshigeらが発表した「Study of the Methanol Injection in Reactor Water in Reactor Water of BWR Plants」というタイトルの論文にも見られる。
終了、及びその後のBWRの起動は、規則的な間隔、例えば1〜3年ごとに行うことができ、通常運転中とは非常に異なる水化学が存在する。例えば、TakiguchiとOtohaによる「The First Application of Hydrogen Water Chemistry during Start−up for Mitigation of SCC initiation in Tokai−2 BWR」の論文で論じられているように、濾水中のオキシダント濃度は、起動の間は高い。この論文は、付加的な水素注入システムを介した、起動の間のHWCの添加を記載している。
米国特許公報No.2005/0018805はまた、起動及び終了の間、水素と還元性窒素化合物の添加を記載している。
本発明の概要
起動の間のHWSの使用は公知であるが、この処置には幾つかの欠点がある。水素とエアポケット(起動の間に存在することがある)との接触は、爆発反応の可能性を防止するために、回避する必要がある。加えて、起動の間のHWCの使用には、「The First Application of Hydrogen Water Chemistry during Start−up for Mitigation of SCC initiation in Tokai−2 BWR」の論文に挙げられている他の欠点が幾つかあり、それは例えば特定の起動運転条件の間、適切な目的濃度の維持ができないことである。起動及び終了の両方の間に変化する条件、例えば反応器を通って循環する冷却材量の変化、及び反応器温度の変化は、気体状水素の適切な供給を極めて困難にしている。さらに水素注入は、別の時期、例えば修理若しくは故障の間には行うことができない。
貴金属もまたしばしば、特定の時期、例えば250℃又はそれ未満の温度で運転時、及び水素注入が利用できない時に、触媒としての効果が減少し始める。起動時、及び終了時の間は、これらの水準以下に温度が低下し、そして水素注入は煩雑である。
本発明の対象は、HWCが利用できない、又は望ましくない時期の間、例えばHWC注入システムの故障の間、又は反応器の起動若しくは終了の間、酸化を減少させ、かつ反応器炉心部材及び燃料クラッディングについて腐蝕を減少させることである。他の代替的な、又は付加的な本発明の対象は、より安全な、よりコストの低い、及び/又はより煩雑ではない酸化還元である。
本発明が提供するのは、BWR、BWRを冷却する反応器冷却システム、反応器冷却システムに接続されたHWC水素注入システム、及び反応器冷却システムに接続されたアルコール注入システムを含む原子力発電プラントである。
水素注入システムに加えて別個のアルコール注入システムを設置することにより、様々な運転体制のための、例えば通常運転条件とは異なる起動及び終了の間のための、水素若しくはアルコールの使用を有利に制御することができる。アルコールはまた有利には、水素注入システムが稼働不能、さもなくば利用できない時のバックアップ注入システムとして設置することができる。アルコール(液状で供給可能であり、かつエアポケットと接触しても爆発しないもの)の使用により、有利には安全性が改善し、モニタリングに注意する必要性が減少し、そして複雑な配管設備の必要性が減少する。
付加的な部材、例えば還元性窒素化合物注入システム、及びNMCA注入システムもまた、有利に備えることができる。
本発明はまた、起動運転、又は終了運転の間に、BWRにアルコールを供給することを含む、原子力発電プラントの運転方法を提供する。
アルコールは通常、起動又は終了に適しているとは考えられていなかった。と言うのも、米国特許公報No.2005/0018805に記載されているように、起動及び終了の間、放射能レベルは強度が弱く、アルコールは一般的にγ線が存在するときに有用だと考えられていたからである。しかしながら本発明は、起動及び終了の間にHWCの代わりにアルコールを使用することにより、有利に幾つかの酸化還元を可能にし、また爆発に関する危険性を減少させ、かつ必要とされる設備を簡素化する。付加的なアルコール注入システムは、既存のBWR原子力発電プラントに加えても、新設する発電プラントに設置してもよく、そして例えば、原子炉水浄化系(CUW)、緊急炉心冷却システム(ECCS)、一次ループ再循環システム(PLR)、又は制御棒駆動部冷却システム(CLD)を介して反応器内の一次冷却材と接続されていてよい。
有利には、ヒドラジン又は他の還元性窒素化合物を、アルコール及び水素と同時にBWR一次冷却回路に供給して、添加剤の総体的な酸化還元性能を改善させることができる。
本発明はまた、BWR一次冷却回路に対して水素とアルコールの両方を、発電プラントの通常運転中に供給することを含む原子力発電プラントの運転方法を提供する。
従来、メタノールは水素の代替物と思われていた。水素とメタノールの両方を供給することによって、水素とメタノールとのこの混合物は、適切な酸化還元をもたらすために所望の通りに変えることができる。適度に負の電気化学的な電位値(僅かに−240mV未満)が得られ、その上、酸素を還元する化学種が二種類得られる。さらには、例えばHWCのための水素貯蓄量が不足しているとき、又は水素注入が無くなる時、使用水素量を減少させるために水素と共にメタノールを供給することができ、これによりバックアップ保護が得られる。
本発明の好ましい実施態様を、以下の図を参照しながら説明する。
本発明による原子力発電プラントの1つの実施態様を示す。 図1の実施態様のヒドラジン注入器及びメタノール注入器の詳細を示す。 BWR 900MWe反応器の炉心で水素1.2ppmと等価な効果をもたらすための、水素とメタノールの量を示す。 酸化、及び315〜350℃での水中のジルコニウムの水素ピックアップ(HPU)に対する、極性の効果を示す。
好ましい実施態様の説明
図1が概略的に示すのは、本発明によるBWR原子力発電プラント10の1つの好ましい実施態様である。原子力発電プラント10は、複数の燃料棒、例えばジルコニウム合金チューブ内の二酸化ウラン燃料、ダウンカマー26、及びライザー28を備える炉心22を有する、BWR20を有し、これらは概略的に示されている。ダウンカマー26は、一次冷却材取り込み口24に接続されており、この取り込み口が一次冷却材管30から水を受け取る。炉心22は、一次冷却材管30からの水を加熱し、この冷却材管30は、タービン40に蒸気を与えて発電機42を稼働させる熱水パイプ(hot leg)32を有する。冷却器44は、蒸気を水に冷却し、この水は冷却器を出て冷却材管30の冷水パイプ(cold leg)34に行き、そして取り込み口24とダウンカマー26にポンプで戻される。
制御棒駆動部冷却システム(CLD)50は、炉心22に挿入された制御棒のための駆動部を冷却するために設置することができる。HWC水素注入器60は、冷水パイプ34に水素を注入することができ、そしてNMCA注入器62は貴金属、例えば白金を同様に冷水パイプ34に供給することができ、その結果反応器20は、運転の通常期間の間、HWCとNMCAを受けられる。
すべて概略的に示されているECCS70、PLR80、及びCUW90も、設置することができる。
図1の特別な実施態様は、メタノール注入器100、及びヒドラジン注入器110を備え、これらはCUW90に、例えばCUWポンプの下流に接続されている。このようして、CUW90を介して一次冷却材管30の冷水パイプ34に入る水へと、メタノールとヒドラジンを注入することができ、これらを反応器20を通して循環させることができる。冷却されたCUW試料管はまた、注入器100、110の液体を受け取るために使用することができる。注入器100、110はまた、ECCS70、PLR80、又はCLD50に位置していてもよい。代替的にはまた、既存の注入器、例えばナトリウム24注入のために使用され、かつCUW90に接続された注入器を、注入器100又は110として変更することができる。好ましい箇所は、あらゆる樹脂床の後である。
注入するメタノールとヒドラジンの量は、1つ又は1つより多いセンサ130からのインプット、例えばダウンカマー26内にあるメタノール、ヒドラジン若しくは水素の濃度のモニタリングを受け取り可能な制御部120によって制御することができる。メタノールの事前設定量は、例えばダウンカマー26内の水素値を考慮して注入することができる。センサ130はまた、反応器20又は炉心22、例えば燃料ピンクラッディングの1つ又は1つより多い成分の電気化学電位(ECP)を測定することもできる。
図2は、メタノール注入器100、及びヒドラジン注入器110の1つの実施態様を示し、これらの注入器は、CUW90の配管に接続されたタンク104、114をそれぞれ含むことができる。定量ポンプ102、112はそれぞれ、メタノール、及び/又はヒドラジンをCUW90中に放出することができ、そして制御部120を介して個々に制御することができる。制御部120は、起動運転と終了運転を制御する制御部と同一のものであっても、又は別個の制御部であってもよい。代替的に、重力支持型注入器の態様では、供給されるメタノール又はヒドラジンの量は、バルブを開ける、又は閉じることによって制御することができ、これらのタンクは配管上方につり下げられている。
メタノールが好ましい一方で、エタノール及びプロパノールを含む他のアルコールもまた送ることができ、これらもまた好ましい。しかしながら、ギ酸、ホルムアルデヒド、及びアセトアルデヒドが、他の適切なアルコールの例である。
ヒドラジンが好ましい還元性窒素化合物である一方で、他の化合物、例えばアンモニア(NH3)もまた、使用可能である。
本発明の1つの好ましい方法においては、アルコールを一次冷却材に注入して、起動又は終了の間、或いはHWC60が稼働していない別の時間の間、例えばHWCが故障している時、ダウンカマー26内のアルコール濃度を0.1〜300μmol/kg(≒メタノールに対して0.0032〜9.6ppm)にする。最も好ましくは、前記アルコール濃度を、10μmol/kg未満にする。
好ましくはまた、終了、及び起動の間にヒドラジンを一次冷却材に供給して、ダウンカマー26内での最大ヒドラジン濃度を300μmol/kgにする。
本発明の他の好ましい方法において有利には、通常運転中に水素注入とメタノール注入の両方を使用する。すべての水素含有化学物質注入器、例えば水素、メタノール、及びヒドラジンのための注入器を、同時に使用することも可能である。様々な運転フェーズによって、様々な水素含有化学物質注入器を、段階的に取り入れるか、又は段階的に取り除いてもよい。好ましくは、加えられる水素含有化学物質の組み合わせは、水素について化学量論的に等量であり、メタノール10μmol/kgとほぼ等量、又はそれ未満の量を維持すべきである。水素若しくはアルコール、又はヒドラジンの計量供給は、特定の限界値を超えると、幾つかの不利な結果につながることがあり、そのため最も好ましくは、注入する水素含有化学物質のあらゆる限界値が、メタノール300μmol/kgの等量を超過しない。
図3が示すのは、反応器炉心での効果が、供給水に水素1.2ppmを注入した効果と同様に得られる、通常運転中に900MWの標準的な電気式BWRの供給水に注入すべきメタノールの量である。これは、2つの成分(メタノールと水素)のみを含む化学量論的な計算の説明である。ダウンカマーへの水素の拡散、及び蒸気による水素のキャリーオーバーは、図3の計算で考慮されている。従って第一列はHWC60により供給される水素の供給水濃度FC、第2列は通常運転中の予測ダウンカマー濃度RC、及び第3列は通常運転中の水素の予測炉心濃度CCである。第4列は、供給水中の水素濃度が減少するにつれて炉心から失われると予測される水素の差であり、そして第5列は補うために供給しなければならないメタノール等量である。そして第6列、第7列、及び第8列はそれぞれ、HWC60による水素注入量の減少を補うために、供給水、ダウンカマー、及び炉心中で所望のメタノール量を化学量論的に示す。3つ、又は3つより多い成分が含まれる場合、同様の計算を行い、1つの成分が後続工程で他の成分と置き換わる(1つの成分が減れば、他の1つの成分が増える)。
加えてメタノールは、過酸化水素還元濃度(reduction hydrogen peroxide concentration)の点で、及び負のECP値を生成する点で水素よりも効果的であり、このことは例えば、2004年10月、サンフランシスコでBernhard StellwegとWilfried Ruehleにより、5th International Workshop on LWR Coolant Water Radiolysis and electrochemistryで発表された論文「Reasons and Criteria for Selection of Methanol as Alternative to Hydrogen for BWR Plants」で論じられており、その内容は参照をもってその全体が開示されたものとする。放射線分野での実験データが示すのは、メタノールについては過酸化水素が、同モルの酸素比での水素よりも2分の1少ないということである。またメタノールは、酸素モル比の機能と同じECPに達するのに水素よりも約3倍効率的である。
センサ130は、ダウンカマー26内の水素濃度とメタノール濃度のモニタリングを介して正確なダウンカマー濃度RCを保証するために設置することができる。
3つの注入器100、110、60を取り混ぜて使用するのが好ましい実施例であり、これは以下のものを含む:
A.一定水準でメタノールを注入しながら、ヒドラジン注入を増加、及び水素注入を減少(終了);
B.メタノールとヒドラジン注入の両方を増加させながら、水素注入は無し(起動の初期);
C.ヒドラジンをさらに増加させながらメタノールを一定水準で注入し、水素注入は無し(起動の終期);
D.メタノールは一定水準で注入しながら、ヒドラジンを減少させ、水素注入は増加(HWC又はNMCAの通常運転の初期);
E.通常運転中の水素注入の損失量を補うためのメタノールの注入増加若しくは減少;及び
F.オンラインNMCA注入の間、ECPへの影響を補うためのメタノールの注入増加若しくは減少;
図4には多くの調査が要約されており、これは燃料ピンのECPが陰極性(負)になり、かつ−300mV未満になれば、ジルコニウム水素ピックアップ(HPU)、若しくは水素ピックアップフラクション(HPUF)、及び酸化が劇的に増加することを示している。このため、−300mVの、又はこれより大きいECPレベルは、燃料運転が関係する限り好ましい。BWRに適用されるすべての還元剤(水素+メタノール+ヒドラジン)という組み合わせの供給水中の濃度は、還元性の環境をもたらすために、Pt(白金)参照電極に対するECP電位が、約−300mV、又はそれより大きい(例えば−260mV)ことにより特徴付けられていてよい。BWR反応器内部部品を保護するため、及びまた増加している燃料運転マージン(increase fuel operation margin)を維持するため、Pt(白金)参照電極に対するECP電位は、内部部品のSCCを最小限にするために、操業者により通常課される−500mVではなく、約−300mV、又はそれより大きい(例えば−260mV)値に保たれるべきである。
本発明においては、メタノールを使用するのが好ましい。代替的に、他の適切なアルコール、例えばエタノール若しくはプロパノール、又はこれらのあらゆる混合物を使用してもよい。
明細書の前述部分では、本発明を特別の模範的な実施態様と、その実施例を参照しながら記載した。しかしながら、以下の請求項で示されるように、本発明のより広い本質と範囲を離れない限り、これらに対して様々な修正や変更が可能なことは明らかである。従って明細書と図面は、限定的な意味ではなく、説明的なものと考慮されるべきである。
10 BWR型原子力発電プラント、 20 BWR、 22 炉心、 24 取り込み口、 26 ダウンカマー、 28 ライザー、 30 冷却材管、 32 熱水パイプ、 34 冷水パイプ、 40 タービン、 42 発電機、 44 冷却器、 50 冷却システム(CLD)、 60 水素注入器、 62 NMCA注入器、 70 ECCS、 80 PLR、 90 CUW、 100 メタノール注入器、 102 ポンプ、 104 タンク、 110 ヒドラジン注入器、 112 ポンプ、 114 タンク、 120 制御部、 130 センサ

Claims (25)

  1. 原子力発電プラントであって、
    沸騰水型反応器;
    前記沸騰水型反応器を冷却する反応器冷却システム;
    前記反応器冷却システムに接続された、水素水化学水素注入システム;及び
    前記反応器冷却システムに接続された、アルコール注入システム、
    を含む、原子力発電プラント。
  2. 前記アルコールがメタノールである、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  3. 前記アルコールが、メタノール、エタノール、及びプロパノールを含む群から選択されるアルコールを少なくとも1つ含む、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  4. 前記沸騰水型反応器が、ダウンカマー、前記ダウンカマーへアルコールを供給可能なアルコール注入システム、及び前記ダウンカマーへ水素を供給可能な水素水化学水素注入システムを含む、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  5. 前記沸騰水型反応器に接続されている原子炉水浄化系をさらに含む、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  6. 前記アルコール注入システムが、原子炉水浄化系にインプットを有する、請求項5に記載の原子力発電プラント。
  7. 前記冷却システムに接続されている、貴金属化学添加注入器をさらに含む、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  8. 前記貴金属化学添加注入器が、冷却システム内に白金を注入する、請求項7に記載の原子力発電プラント。
  9. 制御部をさらに含み、当該制御部が前記アルコール注入システムに接続されている、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  10. アルコール又は水素の濃度を検知するセンサをさらに含み、当該センサが前記制御部に接続されている、請求項9に記載の原子力発電プラント。
  11. 前記制御部を、前記沸騰水型反応器の起動及び終了の間に使用する、請求項9に記載の原子力発電プラント。
  12. 前記沸騰水型反応器がダウンカマーを含み、当該ダウンカマーはアルコール濃度が約0.1〜300μmol/kgの間である、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  13. 前記アルコール濃度が10μmol/kg未満である、請求項12に記載の原子力発電プラント。
  14. 前記冷却システムに接続された還元性窒素化合物注入器をさらに含む、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  15. 前記還元性窒素化合物注入器が、前記沸騰水型反応器に対して、アルコール及び/又は水素と同時に、ヒドラジン又は他の還元性窒素化合物を供給する、請求項14に記載の原子力発電プラント。
  16. アルコール、水素、及び還元性窒素化合物の合計濃度が、10μmol/kg未満である、請求項14に記載の原子力発電プラント。
  17. 前記沸騰水型反応器内にある燃料クラッディングが、−300mVより大きい電気化学電位レベルを有する、請求項1に記載の原子力発電プラント。
  18. 起動運転、又は終了運転の間に、沸騰水型反応器にアルコールを供給することを含む、原子力発電プラントの運転方法。
  19. 前記アルコールがメタノールである、請求項18に記載の方法。
  20. 前記アルコールが、メタノール、エタノール、及びプロパノールを含む群から選択されるアルコールを少なくとも1つ含む、請求項18に記載の方法。
  21. 発電プラントの通常運転の間、沸騰水型反応器に水素とアルコールの両方を供給することを含む、原子力発電プラントの運転方法。
  22. 前記アルコールがメタノールである、請求項21に記載の方法。
  23. 前記アルコールが、メタノール、エタノール、及びプロパノールを含む群から選択されるアルコールを少なくとも1つ含む、請求項21に記載の方法。
  24. 前記アルコールと水素を同時に供給することをさらに含む、請求項21に記載の方法。
  25. BWRに還元性窒素化合物を供給することをさらに含む、請求項21に記載の方法。
JP2010526953A 2007-09-28 2008-09-26 アルコール注入器を備える、沸騰水原子炉型原子力発電プラント、及び当該プラントの運転方法 Active JP5535072B2 (ja)

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