JP2013194274A - 原子力プラントの防食システム及び防食方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉の冷却水循環系に脱気器を有する防錆剤の注入ラインとリサイクルラインを接続することにより、海水や淡水が注入された原子力プラント構造材の腐食を抑制する。
【解決手段】原子炉圧力容器１に接続され冷却水を循環させる冷却水循環系１２と、前記冷却水循環系１２に接続され脱気器２５及び防錆剤注入装置１８を備えた注入ライン３０と、前記冷却水循環系１２に接続され浄化装置１３、１４、防錆剤分離装置１５及び脱気器２５を備えたリサイクルライン３１とを有する原子力プラントの防食システムにおいて、前記防錆剤は、五ほう酸ナトリウム、モリブデン酸塩、タングステン酸塩および金属水酸化物のいずれか１つ又は２つ以上の混合物とする。
【選択図】図１

Description

本発明は原子力プラントを構成する各種構造材を防食する原子力プラントの防食システム及び防食方法に関する。

従来の原子力プラントでは、原子炉の停止時や冷却材喪失事故時等の安全防護手段として、残留熱除去系、高圧及び低圧炉心注入系、原子炉隔離時冷却系等からなる非常時用の炉心冷却系が設けられている（特許文献１）。このような非常時用の炉心冷却系の冷却水としては一般に純水が用いられている。
また、原子力プラントの補機冷却系に当該系統機器の耐食性を高めるために防錆剤を注入することが知られている（特許文献２）。

ところで、原子力プラントにおいて電源喪失事故等の過酷事故が長期化する場合、炉心を冷却するための冷却水が十分に確保されないケースが生じる可能性があり、その場合には外部から海水又は淡水を導入することで、原子力プラントの安全性を確保することとしてきた。

特開２００９−３１０７９号公報 特開平５−１７２９８８号公報

上述したように、過酷事故時に外部の海水又は淡水を冷却水として用いる場合があるが、海水又は淡水には、原子炉圧力容器、炉内構造物、配管又は格納容器等を構成する各種構造材の健全性を低下させるイオン種が含まれている。特に、海水又は淡水に含まれる塩化物イオンや酸素は、原子力プラントの主要構成材料である炭素鋼、低合金鋼又はステンレス鋼の腐食を促進することが知られている。

電源喪失事故時等の過酷事故時に海水又は淡水を用いて冷却されたプラントを、安定冷却の後燃料の取り出しを経て廃炉とするまでには約１０年以上の期間が必要となる。この間、原子力プラントの健全性を維持し、安全な状態で廃炉に至らせることが必要であるが、海水又は淡水に含まれる各種イオンおよび溶存酸素は、主要構成材料の腐食を加速させるため、廃炉までの健全性維持が困難となるが、現在の原子力プラントにはそのための防食システムは設けられていない。

一方、原子炉から排出された海水又は淡水の冷却水は、可能な限り外部に排出せず、浄化しながら循環させて炉内に戻す必要があるが、この循環システムに特許文献２に示されたような防錆剤等を使用した場合、防錆材は浄化装置で除去されてしまうため、防錆材を常時注入しなければならず、防錆剤の必要量は無限となるためコスト及び廃液処理の点で課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、緊急時に炉心の冷却水として海水又は淡水を注入した場合、あるいは起動、運転又は停止中に意図せずに海水又は淡水が流入した場合、原子炉圧力容器、炉内機器及び格納容器等の原子力プラントの各種構造材の耐食性を長期にわたって健全に維持することができる原子力プラントの防食システム及び防食方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本件発明に係る原子力プラントの防食システムは、原子炉炉心の冷却水循環系と、前記冷却水循環系に接続され脱気器及び防錆剤注入装置を備えた注入ラインと、前記冷却水循環系に接続され浄化装置、防錆剤分離装置及び脱気器を備えたリサイクルラインとを有する原子力プラントの防食システムにおいて、前記防錆剤は、五ほう酸ナトリウム、モリブデン酸塩、タングステン酸塩および金属水酸化物のいずれか１つ又は２つ以上の混合物であることを特徴とする。

また、本件発明に係る原子力プラントの防食システムは、格納容器又は建屋内に貯留した廃液を浄化装置、防錆剤分離装置、脱気器を経て原子炉炉心の冷却水循環系に戻す廃液処理循環系を備えた原子力プラントの防食システムにおいて、前記脱気器の上流側に接続された防錆剤注入装置を有する注入ラインと、前記防錆剤分離装置で分離された防錆剤を前記防錆剤注入装置に供給するリサイクルラインとを有し、前記防錆剤は、五ほう酸ナトリウム、モリブデン酸塩、タングステン酸塩および金属水酸化物のいずれか１つ又は２つ以上の混合物であることを特徴とする。

また、本件発明に係る原子力プラントの防食方法は、原子炉圧力容器に接続され冷却水を循環させる冷却水循環系と、前記冷却水循環系に接続され脱気器及び防錆剤注入装置を備えた注入ラインと、前記冷却水循環系に接続され浄化装置、防錆剤分離装置及び脱気器を備えたリサイクルラインとを有する原子力プラントの防食方法において、前記冷却水循環系に五ほう酸ナトリウム、モリブデン酸塩、タングステン酸塩及び金属水酸化物のいずれか１つ又は２つ以上の防錆剤を注入して原子力プラントを防食することを特徴とする。

本発明によれば、炉心の冷却水として海水又は淡水を用いた場合、原子炉圧力容器、炉内機器及び格納容器等の原子力プラントの各種構造材の耐食性を長期にわたって健全に維持することができる。

第１の実施形態に係る防食システムの全体構成図。 第１の実施形態に係る五ほう酸ナトリウム及び窒素の有無による腐食量比を示す図。 第２の実施形態に係る防食システムの全体構成図。 第３の実施形態に係る防食システムの全体構成図。

以下、本発明に係る原子力プラントの防食システム及び防食方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る原子力プラントの防食システム及び防食方法を図１及び図２により説明する。

（全体構成）
本実施形態の防食システムが適用される原子力プラントは、原子炉圧力容器１、格納容器２、燃料プール３、主蒸気配管４、給水系配管５等から構成され、これらの機器の周りを格納容器２に形成された圧力抑制室を水源とする残留熱除去系（ＲＨＲ）６、高圧炉心注入系（ＨＦＣＦ）７、冷却材浄化系９、原子炉隔離時冷却系１２等からなる冷却水循環系が配置されている。これらの系統には冷却水を冷却又は原子炉圧力容器１内に注入するために加熱するための複数の熱交換器１１が配設されている。また、通常時や過酷事故時において、格納容器２内を不活性ガス雰囲気とするために、窒素又はアルゴン等の不活性ガスを注入するガス注入ライン２６が格納容器２に設けられている。

本実施形態の防食システムは、濃度調整した防錆剤を冷却水循環系に直接注入する注入ライン３０と、防錆剤をリサイクルするために油分、放射性核種および塩素等を除去する装置を含むリサイクルライン３１の２系統から構成される。この注入ライン３０とリサイクルライン３１は給水系配管５に接続されている残留熱除去系６、原子炉隔離時冷却系１２及び冷却材浄化系９のいずれかひとつ以上に接続されるが、ここでは図１に示すように原子炉隔離時冷却系１２に接続した例を説明する。

注入ライン３０では、導電率又はイオンクロマトグラフィーによって濃度コントロールされた防錆剤が防錆剤注入装置１８から脱気器２５を介して原子炉隔離時冷却系１２に注入される。

一方、リサイクルライン３１では、原子炉隔離時冷却系１２から分岐して流入した冷却水が、油分分離装置１３、Ｃｓ吸着及び沈殿分離装置１４、防錆剤分離装置１５、脱塩装置１６及び脱気器２５を経て、再度、原子炉隔離時冷却系１２に戻される。

油分分離装置１３、Ｃｓ吸着及び沈殿分離装置１４等からなる浄化装置で浄化された冷却水は防錆剤分離装置１５で防錆剤が分離される。この防錆剤は防錆剤注入装置１８に供給され、再度濃度をコントロールした上で注入ライン３０から原子炉隔離時冷却系１２に注入される。また、脱塩装置１６では、冷却水中のＮａ又はＣｌイオンが分離され高濃度廃液となり廃液槽１７に導かれる。
なお、冷却水の浄化が進んでいる場合には、冷却水を油分分離装置１３及びＣｓ吸着・沈殿分離装置１４をバイパスさせるようにしてもよい。

（脱気器）
脱気器２５は、窒素、アルゴン等の不活性ガスによるバブリング、脱気器２５の気相部に充填した窒素、アルゴン等の不活性ガスと冷却水とのガス交換、又は脱酸素剤、例えばヒドラジンなどの薬剤によって冷却水中の溶存酸素を除去し、冷却水の溶存酸素濃度を大気飽和濃度未満とする。

（防錆剤）
防錆剤は、五ほう酸ナトリウム（ＮａＢ₅Ｏ_８）、モリブデン酸塩、タングステン酸塩、例えば水酸化ナトリウム、水酸化リチウム、水酸化カルシウムからなる金属水酸化物、等のいずれか一つ又はそれらを組み合わせたものを用いる。また、五ほう酸ナトリウムについては、ほう酸と四ほう酸ナトリウムを混合して五ほう酸ナトリウムとして注入してもよい。

（作用）
上述した防錆システムの防錆剤及び脱気器による耐腐食効果を図２により説明する。ここでは防錆剤として五ほう酸ナトリウムを用い、脱気器の気相部の雰囲気ガスとして窒素を用いた実験結果を説明する。

図２は容器内に５０倍に希釈した８０℃の人工海水を充填し、五ほう酸ナトリウムの添加の有無、又は容器内の気相部の充填窒素の有無による炭素鋼の腐食量比の変化を実験により解析した図である。

図２から、窒素及び五ほう酸ナトリウムが無い場合の腐蝕量比よりも、窒素無しの雰囲気で五ほう酸ナトリウムを添加した場合、次に窒素雰囲気下で五ほう酸ナトリウムの添加した場合の順に腐食量比が大幅に減少していることがわかる。

このように窒素雰囲気下で五ほう酸ナトリウムを添加した場合は、防錆剤による効果とともに窒素により海水中の溶存酸素は除去され腐食量比が大幅に減少していることが確認された。

また、格納容器２内が窒素等の不活性ガス雰囲気下にある場合には、外部から導入された海水又は淡水中の溶存酸素を除去する機能を有するが、過酷事故時において不活性ガスが格納容器２から漏出している場合や、水素濃度が高くなった場合にはガス注入ライン２６から窒素等の不活性ガスを格納容器２内に注入して格納容器２内を不活性ガス雰囲気とすることで外部から導入された海水又は淡水中の溶存酸素を除去し、構造材の腐蝕を抑制する。

（効果）
以上説明したように本実施形態によれば、過酷事故時等に海水又は淡水を導入した原子力プラントにおいて、原子炉冷却水の循環系に脱気器を備えた防錆剤の注入ラインとリサイクルラインを設け、また、格納容器内に必要に応じて不活性ガスを注入することにより、炉内構造物及び格納容器等の各種構造材の耐食性を長期にわたって健全に維持することが可能となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る原子力プラントの防食システム及び防食方法を図３により説明する。なお、図３において図１と同一部分には同一符号を付し、その部分の構成の説明は省略する。

上記第１の実施形態では、防錆剤の注入ライン３０とリサイクルライン３１は給水配管５に接続された残留熱除去系６、原子炉隔離時冷却系１２又は冷却材浄化系９のいずれかひとつ以上に接続されるが、本第２の実施形態では、防錆剤の注入ライン３０とリサイクルライン３１を原子炉圧力容器1に直接接続されている残留熱除去系６、原子炉隔離時冷却系１２、冷却材浄化系９、高圧炉心注入系７のいずれか一つ以上に接続することを特徴としている。

なお、本第２の実施形態では、図３に示すように、注入系３０とリサイクル系３１を高圧炉心注入系７に接続した例を示している。
本第２の実施形態によれば、原子炉内の各種構造材の腐食をより効率的に抑制することが可能となる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る原子力プラントの防食システム及び防食方法を図４により説明する。なお、図４において図１と同一部分には同一符号を付し、その部分の構成の説明は省略する。

原子力プラントの過酷事故時において、原子炉や燃料プール３を冷却するために外部から淡水又は海水を注入する可能性があるが、これらの冷却水は格納容器２内又はタービン建屋３５等の下部に廃液として貯溜する可能性がある。

本第３の実施形態では、これらの廃液を処理した後に冷却水として原子炉に再注入する廃液処理循環系３２を設け、この廃液処理循環系３２に防錆剤の注入ライン３０とリサイクルライン３１を設置することを特徴としている。

図４において、注入ライン３０では防錆剤が防錆剤注入装置１８から廃液処理循環系３２に注入され脱気器２５を介して高圧炉心注入系７等に導入される。また、リサイクルライン３１では、格納容器２内及びタービン建屋３５の下部に貯溜した廃液を、廃液処理循環系３２を構成する油分分離装置１３、Ｃｓ吸着・沈殿分離装置１４を経て、防錆剤分離装置１５に導入し、防錆剤を分離した後、脱塩装置１６において塩を除去し、再度、脱気器２５を介して高圧炉心注入系７に戻される。一方、防錆剤分離装置１５で分離された防錆剤は防錆剤注入装置１８に再供給される。

なお、防錆剤が注入され脱気器２５で溶存酸素が除去された廃液処理後の冷却水は、給水系配管５、残留熱除去系６、原子炉隔離時冷却系１２又は冷却材浄化系９のいずれか一つ以上に戻してもよい。
また、格納容器２の気密性が損なわれた場合や、水素濃度が上昇した場合には、必要に応じて窒素ガス等の不活性ガスがガス注入ライン２６を通して格納容器２内に注入される。

本第３の実施形態によれば、廃液を浄化処理しながら、防錆剤の注入・リサイクル及び冷却水の脱気処理を行うことが可能となり、原子力プラントの各種構造材の健全性を長期にわたって維持することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…原子炉圧力容器、２…格納容器、３…燃料プール、４…主蒸気配管、５…給水系配管、６…残留熱除去系、７…高圧炉心注入系、８…圧力抑制室、９…冷却材浄化系、１０…復水貯蔵塔ライン、１１…熱交換器、１２…原子炉隔離時冷却系、１３…油分分離装置、１４…Ｃｓ吸着及び沈殿分離装置、１５…防錆剤分離装置、１６…脱塩装置、１７…廃液槽、１８…防錆剤注入装置、２２…圧力制御室、２３…炉心スプレイ系、２４…復水器、２５…脱気器、２６…ガス注入ライン、３０…注入ライン、３１…リサイクルライン、３２…廃液処理循環系、３５…タービン建屋。

Claims (7)

1. 原子炉圧力容器に接続され冷却水を循環させる冷却水循環系と、前記冷却水循環系に接続され脱気器及び防錆剤注入装置を備えた注入ラインと、前記冷却水循環系に接続され浄化装置、防錆剤分離装置及び脱気器を備えたリサイクルラインとを有する原子力プラントの防食システムにおいて、
   前記防錆剤は、五ほう酸ナトリウム、モリブデン酸塩、タングステン酸塩および金属水酸化物のいずれか１つ又は２つ以上の混合物であることを特徴とする原子力プラントの防食システム。
2. 前記防錆剤分離装置で分離された防錆剤を前記防錆剤供給装置に供給することを特徴とする請求項１記載の原子力プラントの防食システム。
3. 前記リサイクルラインの浄化装置は油分分離装置、沈殿分離装置及び脱塩装置からなることを特徴とする請求項１又は２記載の原子力プラントの防食システム。
4. 前記冷却水循環系は残留熱除去系、高圧炉心注入系、原子炉隔離時冷却系又は原子炉浄化系であり、前記注入ライン系及びリサイクルラインを前記残留熱除去系、高圧炉心注入系、原子炉隔離時冷却系又は原子炉浄化系の少なくとも一つに接続したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に原子力プラントの防食システム。
5. 格納容器又は建屋内に貯留した廃液を浄化装置、防錆剤分離装置、脱気器を経て原子炉炉心の冷却水循環系に戻す廃液処理循環系を備えた原子力プラントの防食システムにおいて、
   前記脱気器の上流側に接続された防錆剤注入装置を有する注入ラインと、前記防錆剤分離装置で分離された防錆剤を前記防錆剤注入装置に供給するリサイクルラインとを有し、
   前記防錆剤は、五ほう酸ナトリウム、モリブデン酸塩、タングステン酸塩および金属水酸化物のいずれか１つ又は２つ以上の混合物であることを特徴とする原子力プラントの防食システム。
6. 前記脱気器において、不活性ガスのバブリング、不活性ガスとのガス交換又は脱酸素剤の注入により冷却水中の溶存酸素を除去することを特徴とする請求項１乃至５いずれか1項に記載の原子力プラントの防食システム。
7. 原子炉圧力容器に接続され冷却水を循環させる冷却水循環系と、前記冷却水循環系に接続され脱気器及び防錆剤注入装置を備えた注入ラインと、前記冷却水循環系に接続され浄化装置、防錆剤分離装置及び脱気器を備えたリサイクルラインとを有する原子力プラントの防食方法において、
   前記冷却水循環系に五ほう酸ナトリウム、モリブデン酸塩、タングステン酸塩及び金属水酸化物のいずれか１つ又は２つ以上の防錆剤を注入して原子力プラントを防食することを特徴とする原子力プラントの防食方法ム。

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