JP2015200591A - 原子力プラントの亜鉛濃度測定方法及び亜鉛濃度測定装置並びに亜鉛濃度制御方法 - Google Patents

原子力プラントの亜鉛濃度測定方法及び亜鉛濃度測定装置並びに亜鉛濃度制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
運転中において冷却水中の亜鉛濃度をより精度良く測定可能な原子力プラントの亜鉛濃度測定方法、亜鉛濃度測定装置及び亜鉛濃度を所定範囲内に保持することができる亜鉛濃度制御方法を提供する。
【解決手段】
亜鉛濃度測定装置１の、クロム酸化物被膜で覆われた金属細線３が、配管１２に取り付けられた測定部支持部材１３内に配置される。冷却水が配管１２、測定部支持部材１３内に存在する。定電流測定装置７により、金属細線３に一定の電流を印加し、電圧測定装置８を用いて、金属細線３の電圧を測定する。演算装置９は、測定した電流及び電圧に基づいて金属細線３の抵抗を算出し、金属細線３の抵抗に基づいて金属細線３の腐食速度を求める。さらに、金属細線３の腐食速度から亜鉛濃度を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子力プラントの亜鉛濃度の測定方法及び亜鉛濃度制御装置に係り、特に、沸騰水型原子力プラントに適用するのに好適な亜鉛濃度の測定方法及び亜鉛濃度制御方法に関する。
原子力プラントとして、例えば、沸騰水型原子力プラント（以下、ＢＷＲプラントという）及び加圧水型原子力プラント（ＰＷＲプラント）が知られている。例えば、ＢＷＲプラントは、核燃料物質を含む複数の燃料棒を有する複数の燃料集合体を装荷した炉心を原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内に有し、核燃料物質を核分裂させて熱エネルギーを発生させる。再循環系ポンプ（またはインターナルポンプ）によって炉心に供給された冷却水は、核分裂で生じた熱エネルギーにより加熱され、一部が蒸気になる。この蒸気は、原子炉圧力容器からタービンに導入され、タービンに連結された発電機の駆動に利用される。
ＢＷＲプラントの運転に伴い、ＢＷＲプラントの構造部材（機器または配管）から発生した腐食生成物が冷却水中に放出され、核燃料物質を含む燃料棒の外面に付着する。燃料棒外面に付着した腐食生成物に含まれる金属元素は、核燃料物質の核分裂で発生する中性子の照射により原子核反応を起こし、Ｃｏ−６０、Ｃｏ−５８、Ｃｒ−５１、Ｍｎ−５４及びＦｅ−５９等の放射性核種になる。これらの放射性核種の一部は、イオンとして冷却水中に溶出したり、クラッドと呼ばれる不溶性固体として冷却水中に再放出されたりする。冷却水中の放射性核種は、原子炉冷却材浄化系の浄化装置によって取り除かれるが、除去されなかった放射性核種は、冷却水とともに再循環系配管などを循環し、構成部材の冷却水に接触する表面に蓄積される。この結果、構成部材表面から放射線が放射され、定検作業時において作業者の放射線被爆の要因となる。
作業者の被爆線量は、各人毎に規定値を超えないように管理されている。近年この規定値が引き下げられ、各人の被爆線量を可能な限り低くする必要が生じている。
そこで、配管の冷却水と接触する表面への放射性核種の付着を低減する方法、及び冷却水中の放射性核種の濃度を低減する方法が様々検討されている。このような方法の一つとして、亜鉛などの金属イオンを冷却水中に共存させるものがある。亜鉛を注入し、制御する方法として、開平７−１６７９８９号公報（特許文献１）が提案されている。特許文献１では、原子炉圧力容器に接続された再循環系配管の途中より分岐するサンプリング配管を設け、サンプリング配管を介して冷却水を金属濃度測定装置に送り、亜鉛濃度をモニタリングしている。
特開平７−１６７９８９号公報 特開２０１２−７８１０１号公報
サンプリング配管及び測定対象となる再循環系配管共にステンレス鋼製の配管であるが、サンプリング配管及び再循環系配管における腐食により発生するさび（鉄分）、すなわち鉄濃度がサンプリング配管及び再循環系配管内で異なる可能性がある。
また、亜鉛は鉄との酸化反応により酸化物として析出し、亜鉛濃度が低下する。従って、特許文献１では、この冷却水中の亜鉛濃度の変化がサンプリング配管によるものか、再循環系配管によるものかの判別（識別）は困難であり、亜鉛濃度の測定誤差を招く可能性がある。
本発明は、運転中において冷却水中の亜鉛濃度をより精度良く測定可能な原子力プラントの亜鉛濃度測定方法、亜鉛濃度測定装置及び亜鉛濃度を所定範囲内に保持することができる亜鉛濃度制御方法を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の原子力プラントの亜鉛濃度測定装置は、少なくとも原子炉圧力容器内及び当該原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器内に敷設される配管のうち、いずれか一方に設置され、クロム酸化物被膜に覆われた構成部材を有する腐食速度測定部と、前記腐食速度測定部の測定結果に基づき前記原子炉圧力容器内及び/又は原子炉格納容器内の配管を通流する冷却水中の亜鉛濃度に換算する亜鉛濃度測定部を有することを特徴とする。
また、本発明の原子力プラントの亜鉛濃度測定方法は、少なくとも原子炉圧力容器及び当該原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器内に敷設される配管のうち、いずれか一方を通流する冷却水中の亜鉛濃度を測定する方法であって、測定対象箇所に、クロム酸化物被膜で覆われた構成部材を前記冷却水と接触するよう配置し、前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材の腐食速度を測定し、前記測定された腐食速度に基づき亜鉛濃度を求めることを特徴とする。
また、本発明の原子力プラントの亜鉛濃度制御方法は、少なくとも原子炉圧力容器及び当該原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器内に敷設される配管のうち、いずれか一方を通流する冷却水中の亜鉛濃度を制御する方法であって、測定対象箇所に、クロム酸化物被膜で覆われた構成部材を前記冷却水と接触するよう配置し、前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材の腐食速度を測定し、前記測定された腐食速度に基づき亜鉛濃度を求め、 前記求めた亜鉛濃度を予め設定された設定亜鉛濃度範囲の下限値未満か否か判定し、下限値未満の場合、前記下限値と前記求めた亜鉛濃度との差分に所定量加算した値を、前記冷却水へ注入する亜鉛の増加量とし、前記求めた亜鉛濃度を予め設定された設定亜鉛濃度範囲の上限値以上か否か判定し、上限値以上の場合、前記求めた亜鉛濃度と前記上限値との差分に前記所定量加算した値を、前記冷却水へ注入する亜鉛の減少量とすることを特徴とする。
本発明によれば、原子力プラントの運転中において、より精度良く冷却水中の亜鉛濃度を測定することができる。また、冷却水中の亜鉛濃度を所定範囲内に維持することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の好適な一実施例である実施例１の原子力プラント内の冷却水中の亜鉛濃度を制御する処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１による亜鉛濃度測定装置の構成図である。 図２に示す亜鉛濃度測定装置のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施例形態に係る亜鉛濃度測定装置が設置される沸騰水型原子力プラントの構成図である。 実験により得られた腐食速度と亜鉛濃度の相関を示す図である。 亜鉛濃度測定に用いる腐食速度と亜鉛濃度の関係を示す説明図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例２による亜鉛濃度測定装置の構成図である。 図７に示す亜鉛濃度測定装置で得られる電極間のインピーダンスをプロットしたナイキスト線図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例３による亜鉛濃度測定装置の配置図である。 本発明の好適な一実施例である実施例４による原子力プラント内の冷却水中の亜鉛濃度を制御する処理手順を示すフローチャートである。
発明者らは、冷却水中の亜鉛濃度を所定範囲内に保持することができる原子力プラントの運転方法を実現するために、より精度良く、冷却水中の亜鉛濃度を測定できる亜鉛濃度測定方法について検討を行った。発明者らは、原子炉圧力容器の炉底部及び原子炉圧力容器に接続された再循環系配管を流れる冷却水中の亜鉛濃度を直接測定するため、亜鉛とクロム酸化物の反応に着目した。例えば、クロム酸化物であるクロミア（Ｃｒ2Ｏ3）やクロマイト（ＭＣｒ2Ｏ4）（ここで、Ｍ＝Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等の２価イオンとなる元素）は、冷却水中の亜鉛（Ｚｎ）と反応して亜鉛クロマイト（ＺｎＣｒ2Ｏ4）になる。この反応は可逆であり、冷却水中の亜鉛濃度の減少に伴いクロム酸化物中の亜鉛量が減少する。そのため、発明者らは、原子力プラントの運転中において、クロム酸化物中の亜鉛量の増減を測定することができれば、冷却水中の亜鉛濃度を求めることができると考えた。
発明者らは、種々の検討を行った結果、冷却水中の測定対象個所に、クロム酸化物被膜に覆われた材料を配置し、このクロム酸化物被膜に覆われた材料の腐食速度を測定する。そして、測定した腐食速度に基づいて冷却水中の亜鉛濃度を求めることにより、亜鉛濃度の測定精度をより向上させることができることを見出した。その詳細を以下に説明する。
運転中の原子力プラントにおいて、冷却水中のクロム酸化物、例えば、ＭＣｒ2Ｏ4（Ｍ＝Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等の２価イオンとなる元素）は冷却水中の亜鉛と式（１）の反応を起こしＺｎＣｒ2Ｏ4になる。
ＭＣｒ2Ｏ4＋Ｚｎ2+ → ＺｎＣｒ2Ｏ4＋Ｍ2+ …（１）
これは、ＺｎＣｒ2Ｏ4がＭＣｒ2Ｏ4に比べて安定なためであり、亜鉛を取り込むことでクロム酸化物は安定化する。また、クロム酸化物による亜鉛の取り込みは可逆であるため、冷却水中の亜鉛濃度が減少すると、クロム酸化物中の亜鉛量が減少する。
例えば、運転中の原子力プラントにおいて、高温高圧の冷却水と接するステンレス鋼（または、ニッケル基合金でもよい）の表面では、クロム酸化物を含む被膜が生成される。これは、ステンレス鋼にクロム（Ｃｒ）が含まれているためであり、原子力プラント運転中にクロム酸化物の被膜が生成される。
ここで、発明者らは、冷却水中の亜鉛濃度が上昇すると、クロム酸化物を含む被膜が亜鉛を取り込み安定化することで、耐食性が向上しステンレス鋼の腐食速度は低下する。一方、冷却水中の亜鉛濃度が減少すると、クロム酸化物を含む被膜中の亜鉛量が減少し、耐食性が低下しステンレス鋼の腐食速度は増加するとの知見を得た。すなわち、冷却水中におけるクロム酸化物被膜に覆われた材料、例えばステンレス鋼の腐食速度を測定することができれば、その腐食速度を基に冷却水中の亜鉛濃度を求めることができるとの知見を得たのである。
また、オンラインで腐食速度を測定することができれば、原子力プラントの運転中に、測定点における亜鉛濃度を常時監視できる。これにより、亜鉛濃度の変化を判定するまでの時間差を短縮できると考えた。冷却水中の亜鉛濃度を求めるため腐食速度を測定する材料は、ステンレス鋼やニッケル基合金の他、クロム酸化物で被覆した炭素鋼など、クロム酸化物被膜に覆われた材料を用いることができる。
ここで、クロム酸化物被膜に覆われた材料の腐食速度を求める方法として、例えば、特許文献２に示される、クロム酸化物被膜で覆われた細線を用いて腐食速度を求める原理について説明する。表面にクロム酸化物被膜を施した細線に設定した電流を供給し、電圧を測定する。そしてオームの法則から時間ｔ１での表面にクロム酸化物被膜を施した細線の電気抵抗Ｒｔ１を求める。この電気抵抗Ｒｔ１を以下の式（２）に代入して時間ｔ１での細線の金属母材の半径ｒｔ１を算出する。なお、ρは細線の比抵抗、ｌは細線の長さ、ｒは細線の金属母材の平均的な半径である。
Figure 2015200591
さらに、時間ｔ２で測定された電流及び電圧の各値を用いて、オームの法則から時間ｔ２での細線の電気抵抗Ｒｔ２を求める。この電気抵抗Ｒｔ２を式（２）に代入して、時間ｔ２での細線の金属母材の半径ｒｔ２を算出する。
時間ｔ１及びｔ２、及び算出した半径ｒｔ１及びｒｔ２を以下の式（３）式に代入して腐食速度ΔＷｔ１−ｔ２を算出する。
ΔＷｔ１−ｔ２＝（ｒｔ１−ｒｔ２）／（ｔ２−ｔ１） …（３）
この算出された腐食速度ΔＷｔ１−ｔ２を用いて、本発明では、亜鉛濃度を算出する亜鉛濃度測定装置を考案した。この亜鉛濃度測定装置については、実施例にてその詳細を後述するが、亜鉛濃度測定装置は、予め上記測定される腐食速度と亜鉛濃度との相関関係を格納している。測定される腐食速度を亜鉛濃度に換算することで、冷却水中の亜鉛濃度を測定可能とする機能を有する。よって、本発明の亜鉛濃度測定装置は、上記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材（細線）を有する腐食速度測定部と亜鉛濃度測定部より構成される。
図４に、上記亜鉛濃度測定装置が設置されるＢＷＲプラント１４の構成図を示す。ＢＷＲプラント１４は、炉心１６を収容する原子炉圧力容器１５、タービン２３、復水器２４、再循環系、給水系、原子炉浄化系、亜鉛注入装置４７及び制御装置４８を備えている。原子炉圧力容器１５は、原子炉格納容器３０内に設置されている。制御装置４８は、図示しない、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ及び外部メモリ置等の記憶装置、及びＣＰＵから構成される。ＣＰＵがＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し、実行することで、亜鉛濃度測定装置より得られる冷却水中の亜鉛濃度に応じて、亜鉛注入装置４７及び制御弁３１の開度を制御する。
炉心１６の上方に配置された気水分離器１７、及び気水分離器１７の上方に配置された蒸気乾燥器１８が、原子炉圧力容器１５内に設置されている。核燃料物質を含む複数の燃料棒を有する複数の燃料集合体が、炉心１６に装荷されている。再循環系は再循環ポンプ２１及び再循環系配管２０を有する。再循環ポンプ２１が設けられた２系統の再循環系配管２０が、原子炉圧力容器１５に接続される。図４では、この２系統の再循環ポンプ２１が設けられた再循環系配管２０を、原子炉圧力容器１５の左右両側に設けている。なお、炉心１６に複数装荷される燃料集合体は、横断面四角形状のチャンネルボックス内に、ステンレス製の被覆管内に燃料ペレット（例えば、ＭＯＸ燃料）が複数充填された燃料棒を正方格子状に配列する。
原子炉圧力容器１５に接続された主蒸気配管２２が、タービン２３に接続される。タービン２３は復水器２４上に設置される。給水系は、給水配管２５及び給水ポンプ２６等を有する。給水ポンプ２６が設けられた給水配管２５が、復水器２４及び原子炉圧力容器１５に接続される。水素注入装置４６及び亜鉛注入装置４７が制御弁３１を介して給水配管２５に接続される。
原子炉浄化系は、再循環系配管２０と給水配管２５を接続する浄化系配管２７を有し、浄化系ポンプ２８及び浄化装置２９を浄化系配管２７に設けている。原子炉圧力容器１５の底部に接続されたドレン配管４４が、浄化系配管２７に接続される。また、原子炉圧力容器１５の底部には、原子炉圧力容器１５内の中性子束を検出する中性子検出器としての局所出力領域モニタ３５が設置されている。
ＢＷＲプラント１４の運転中、原子炉圧力容器１５内で炉心１６の周囲に形成されたダウンカマ１９内の冷却水が、再循環ポンプ２１の駆動により再循環系配管２０内に流入し、原子炉圧力容器１５内でダウンカマ１９内に配置されたジェットポンプ（図示せず）に供給される。ジェットポンプから吐出された冷却水は、炉心１６に供給される。この冷却水は、炉心１６に装荷された燃料集合体内の燃料棒に含まれた核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、一部が蒸気になる。蒸気は、気水分離器１７及び蒸気乾燥器１８で水分を分離した後、主蒸気配管２２を通してタービン２３に供給され、タービン２３を回転させる。タービン２３に連結された発電機（図示せず）も回転し、電力が発生する。
タービン２３から排気された蒸気は、復水器２４で凝縮されて水になる。この水は、冷却水として、給水ポンプ２６で昇圧され、給水配管２５を通して原子炉圧力容器１５に供給される。再循環系配管２０内を流れる冷却水の一部は、浄化系配管２７内に流入し、浄化装置２９で浄化される。浄化された冷却水は、浄化系配管２７及び給水配管２５を通って原子炉圧力容器１５に戻される。
ＢＷＲプラント１４の運転中において、水素注入装置４６から給水配管２５に注入された水素は、冷却水と共に原子炉圧力容器１５内に導かれ注入される。また、亜鉛の注入は、ＢＷＲプラント１４の運転中において、制御装置４８により亜鉛注入装置４７及び制御弁３１を介して行われる。亜鉛を含む溶液が、復水器２４の下流において亜鉛注入装置４７から給水配管２５内を流れる冷却水に注入される。亜鉛を含む冷却水が、給水配管２５を通って原子炉圧力容器１５内に導かれる。供給された亜鉛を含む冷却水は、炉心１６、再循環系配管２０、ドレン配管４４、さらには、浄化系配管２７に導かれる。
気水分離器１７で蒸気と分離された冷却水は、ダウンカマ１９内に導かれて給水配管２５から供給される給水と混合され、ジェットポンプにより炉心１６に供給される。
ＢＷＲプラント１４において、本発明の亜鉛濃度測定装置が取り付けられる測定点は、図４に示す測定点Ａ〜Ｆのいずれか一つあるいは、これら測定点の組み合わせである。測定点Ａ〜Ｅは原子炉格納容器３０内のドライウェルに配置されている。測定点Ａ及びＢは１本の再循環系配管２０に設定され、測定点Ｃ及びＤは他の１本の再循環系配管２０に設定される。測定点Ｂ及びＣは再循環ポンプ２１の上流に位置し、測定点Ａ及びＤは再循環ポンプ２１の下流に位置する。測定点Ｅは浄化系ポンプ２８の上流で浄化系配管２７に設定される。測定点Ｆは、局所出力領域モニタ３５に設定され原子炉圧力容器１５内に位置する。これにより、測定点Ａ〜Ｅのいずれかであれは、それぞれが設定される配管内を流れる冷却水中の亜鉛濃度を測定することができる。また、測定点Ｆであれば原子炉圧力１５内での冷却水中の亜鉛濃度を測定することが可能となる。
以上のとおり、本発明では、ＢＷＲプラント１４の運転中に、測定点において冷却水と接触するクロム酸化物被膜に覆われた構成部材の腐食速度から、測定点における冷却水中の亜鉛濃度を求める構成を有する。そのため、従来のような、再循環系配管とサンプリング配管で水質（特に、鉄濃度）が異なることによる亜鉛濃度測定誤差を回避できる。そのため、測定点における冷却水中の亜鉛濃度をより精度良く求めることができる。さらに、ＢＷＲプラント１４の運転中に、測定点において冷却水と接触するクロム酸化物被膜に覆われた構成部材の腐食速度を迅速に測定できることにより、測定点における亜鉛濃度を常時監視できるため、亜鉛濃度の変化を判定するまでの時間差を短縮できる。
以下、本発明の実施例、特に亜鉛濃度測定装置、亜鉛濃度測定方法及び冷却水中の亜鉛濃度制御方法について図面を参照し説明する。
図１に、発明の好適な一実施例である実施例１のＢＷＲプラント１４内の冷却水中の亜鉛濃度を制御する処理手順であるフローチャートを示し、図２に、本実施例による亜鉛濃度測定装置の構成図を、図３に図２に示す亜鉛濃度測定装置のＡ―Ａ断面図を示す。
図２に示すように、亜鉛濃度測定装置１は、クロム酸化物被膜で覆われた細線３、リード線４、５及び筺体６からなる測定部２、リード線４、５と接続される定電流測定装置７、演算装置９及び電圧測定装置８を備えている。また、亜鉛濃度測定装置１は、測定部２を収容し、内部を冷却水が通流する配管１２に位置付ける測定部支持部材１３を有している。測定部支持部材１３の一端、すなわち、配管１２と接続される側は開放されて配管１２に連絡され、他端は封止されている。ここで、配管１２は、図４に示す再循環系配管２０又は浄化系配管２７に相当する。クロム酸化物被膜で覆われた細線３は、例えばステンレス鋼で構成される。細線３は、図２に示すように測定点において、配管１２内を通流する冷却水と接触するように設置され、測定部支持部材１３にて配管１２に固定される。異種間金属接触による腐食及び熱起電力の発生を抑制するため、リード線４、５は、少なくとも測定部支持部材１３内の高温部においては、細線３と同じ材料であることが望ましい。リード線４及びリード線５が、クロム酸化物被膜で覆われた細線３の両端に接続される。クロム酸化物被膜で覆われた細線３が、金属で作成された筺体６の外側に配置され、リード線４、５が筺体６を貫通して設けられる。リード線４、５と筺体６の間には電気絶縁体（図示せず）が配置され、リード線４、５と筺体６とが電気的に接続されることを防止している。この電気絶縁体は、例えば、２８０°Ｃの冷却水中でも使用可能で且つ耐放射線の高い樹脂（ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂など）及び無機絶縁材料（アルミナ、ジルコニアなど）のいずれかで作製される。また、図３に示すように、測定部２を支持し、細線３が配管１２内を通流する冷却水と接触するよう固定する測定部支持部材１３は、配管１２の途中で上述の通り開放部を介して配管１２と連絡されている。そして、測定部支持部材１３の封止部、すなわち、底面までの深さは図３に示されるように浅い。従って、従来のサンプリング配管におけるような鉄分濃度の相違による測定誤差の影響を回避できる。
ここで、クロム酸化物被膜で覆われた細線３の配置位置について説明する。図２に示すように内径ｒＡの配管１２の内周面を基準とし、この内周面と細線３との間隙ΔＬは、最小で“０”となるよう配置される。これは、細線３が配管１２の内周面より内側に位置すると、配管１２内を通流する冷却水の流路抵抗が増大すると共に、場合によっては、細線３の損傷を招く恐れがあるためである。なお、間隙ΔＬの最大値、すなわち細線３の測定部支持部材１３内での高さの下限は、測定部支持部材１３の底面（封止部）の高さとの相関を考慮すると共に、測定部支持部材１３へ流入する配管１２内を通流する冷却水の流量又は流速を考慮し適宜設定すれば良い。
定電流測定装置７及び電圧測定装置８は、並列に配置されてリード線４、５にそれぞれ接続される。定電流測定装置７で発生する定電流（直流電流）が、リード線４、細線３及びリード線５を通して流れる。定電流測定装置７は、電流計（図示せず）を有し、この電流計で測定される電流に基づいて発生する直流電流を定電流である所定の電流値に調節している。電圧測定装置８は、細線３の電圧を測定する。定電流測定装置７の電流計で測定された電流の値、及び電圧測定装置８で測定した電圧が、演算装置９に入力される。演算装置９は、図示しない、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ又は外部メモリ等の記憶装置とＣＰＵ等から構成される。ＣＰＵはＲＯＭに格納された各種プログラムを読み出し実行する。
ここで、演算装置９は、時間ｔ１で測定された電流及び電圧の各値を用いて、オームの法則から時間ｔ１での細線３の電気抵抗Ｒｔ１を求める。演算装置９は、この電気抵抗Ｒｔ１を上記式（２）に代入して時間ｔ１での細線３の金属母材の半径ｒｔ１を算出する。
さらに、演算装置９は、同様に時間ｔ２で測定された電流及び電圧の各値を用いて、時間ｔ２での細線３の電気抵抗Ｒｔ２を求める。演算装置９は、この電気抵抗Ｒｔ２を上記式（２）に代入して時間ｔ２での細線３の金属母材の半径ｒｔ２を算出する。演算装置９は、時間ｔ１及びｔ２、及び算出した半径ｒｔ１及びｒｔ２を上記（３）式に代入して腐食速度ΔＷｔ１−ｔ２を算出する。演算装置９は、算出した細線３の金属母材の半径ｒｔ１及びｒｔ２、細線３の腐食速度ΔＷｔ１−ｔ２を表示装置（図示せず）に出力し、これらの情報が表示装置に表示される。時間がｔ２からｔ３、ｔ４、ｔ５、……、ｔｎと経過し、それぞれの時間ｔｎ（ｎは正の整数）における細線３の金属母材の半径ｒｔｎ、細線３の腐食量Ｗｔｎ及び細線３の腐食速度ΔＷｔ（ｎ−１）−ｔｎが算出され図示しない表示装置に表示される。
ここで、上記構成の亜鉛濃度測定装置１を用いた実験結果について説明する。実験条件として、細線３として、直径５０μｍ、長さ２００ｍｍのステンレス鋼の線を用いた。ＢＷＲプラント１４の冷却水と同じ条件である２８０°Ｃの純水に、亜鉛濃度がＺｎ＝０、２、５ｐｐｂとなるように亜鉛を溶解させ、この亜鉛を含む純水を配管１２に通水し、測定部支持部材１３内もこの純水で満たした。測定部支持部材１３内に配置される細線３の表面は、亜鉛を含む純水に接触している。
配管１２内に亜鉛を含む純水を通水しながら、定電流測定装置７を用いてクロム酸化膜で覆われた細線３に１ｍＡの電流を印加し、電圧測定装置を８用いて細線３の電圧を測定した。定電流測定装置７は測定された印加電流の値を、電圧測定装置８は測定した電圧を、それぞれ演算装置９へ入力した。演算装置９は、時間ｔ１で測定された電流及び電圧の各値を用いて、オームの法則から時間ｔ１での細線３の電気抵抗Ｒｔ１を求め、この電気抵抗Ｒｔ１を式（２）に代入して時間ｔ１での細線３の金属母材の半径ｒｔ１を算出した。演算装置９は、同様に、時間ｔ２で測定された電流及び電圧の各値を用いて、オームの法則から時間ｔ２での細線３の電気抵抗Ｒｔ２を求め、この電気抵抗Ｒｔ２を式（２）に代入して時間ｔ２での細線３の金属母材の半径ｒｔ２を算出した。さらに、演算装置は、時間ｔ１及びｔ２、及び算出した半径ｒｔ１及びｒｔ２を（３）式に代入して腐食速度ΔＷｔ１−ｔ２を算出した。
上記実験により得られた細線３の腐食速度と亜鉛濃度との相関を図５に示す。図５に示すように、Ｚｎ＝０ｐｐｂの場合に対し、Ｚｎ＝２ｐｐｂではステンレス鋼細線３の腐食速度は１／２、Ｚｎ＝５ｐｐｂの場合ではステンレス鋼細線３の腐食速度は１／３となり、亜鉛濃度の増加とともにステンレス鋼細線３の腐食速度は低下した。以上より、ステンレス鋼細線３の腐食速度は冷却水中の亜鉛濃度に依存し、亜鉛濃度が増加するとステンレス鋼細線３の腐食速度が低下することが確認できた。そこで、横軸を亜鉛濃度、縦軸を腐食速度とする直交座標系において、冷却水中の亜鉛濃度ごとに測定した腐食速度を点としてプロットし、各点を結ぶことにより、図６に示す、亜鉛濃度測定に用いる腐食速度と亜鉛濃度の相関を示す特性図を予め作成した。この特性図を、図２に示す亜鉛濃度測定装置１を構成する演算装置９内の図示しない記憶装置に格納し、求めた腐食速度に基づいて対応する冷却水中の亜鉛濃度を求めることができる。すなわち、演算装置９内の記憶装置に予め格納される腐食速度と亜鉛濃度の相関を示す特性図を用いて、得られる腐食速度を亜鉛濃度に換算するよう演算装置９が実行するよう構成する。なお、図示しない記憶装置に格納する特性図に替えて、複数の腐食速度と、それに対応する亜鉛濃度をテーブルとして格納するよう構成しても良い。この場合、演算装置９は、得られた腐食速度を基に上記テーブルを参照し、対応する亜鉛濃度を読み出し換算後の亜鉛濃度として出力する。
なお、予め作成し上記記憶装置に格納する腐食速度と冷却水中の亜鉛濃度との相関を示す特性図又はテーブルを、例えば、亜鉛濃度を１ｐｐｂずつ増加させ、１０ｐｐｂあるはそれ以上まで条件を変化させ、その時に得られる腐食速度に基づいて作成しても良く、また、亜鉛濃度を変化させる幅は適宜設定すれば良い。上記実験条件を満たすよう、ＢＷＲプラント１４内の配管１２及び原子炉圧力容器１５を模擬する実験装置により、図６に示す特性図を作成し、亜鉛濃度測定装置１を構成する演算装置９内の記憶装置に予め格納すれば良い。この場合、本実施例では実験条件として、直径５０μｍ、長さ２００ｍｍの細線３を用いたが、細線３の直径及び長さをパラメータとして、更に同様に亜鉛濃度と腐食速度との相関を予め求め、細線３の形状（直径及び長さ）毎にそれぞれ特性図又はテーブルを演算装置９の図示しない記憶装置に格納するよう構成しても良い。
次に、本実施例による亜鉛濃度測定装置１を用いてＢＷＲプラント１４内の冷却水中の亜鉛濃度を制御する方法について説明する。図１は、原子力プラント内の冷却水中の亜鉛濃度を制御する処理手順を示すフローチャートである。図１において、ステップＳ１及びステップＳ２までが、冷却水中の亜鉛濃度測定手順を示し、ステップＳ３〜ステップＳ６までが、測定された亜鉛濃度に基づき冷却水中の亜鉛濃度を制御する手順を示している。
以下では、本実施例をＢＷＲプラント１４に適用する場合を例とし、図４に示す測定点Ａに、図２に示すように亜鉛濃度測定装置１を設定しときを例に説明する。なお、図１に示すステップＳ１〜Ｓ６の各工程は、ＢＷＲプラント１４の運転中に行われる。このため、測定点Ａにおける再循環系配管２０内には冷却水が流れており、測定点Ａに配置された、亜鉛濃度測定装置１の測定部２を構成する細線３は流動している冷却水と接触している。
まず、測定点Ａにおける亜鉛濃度の測定を、ステップＳ１〜Ｓ２の各工程に基づいて説明する。ステップＳ１〜Ｓ２の各演算は、各測定点に対応して配置されたそれぞれの亜鉛濃度測定装置１の演算装置９で同様に行われる。
ステップＳ１において、細線３の腐食速度を測定する。定電流測定装置７で発生する定電流（直流電流）が、リード線４、細線３及びリード線５を通して流れる。定電流測定装置７は、電流計（図示せず）を有し、この電流計で測定される電流に基づいて発生する直流電流を定電流である所定の電流値に調節している。電圧測定装置８が、細線３の電圧を測定する。定電流測定装置７の電流計で測定された電流の値、及び電圧測定装置８で測定した電圧が、演算装置９に入力される。演算装置９は、時間ｔ１で測定された電流及び電圧の各値を用いて、オームの法則から時間ｔ１での細線３の電気抵抗Ｒｔ１を求める。
演算装置９は、この電気抵抗Ｒｔ１を式（２）に代入して時間ｔ１での細線３の金属母材の半径ｒｔ１を算出する。
さらに、演算装置９は、時間ｔ２で測定された電流及び電圧の各値を用いて、オームの法則から時間ｔ２での細線３の電気抵抗Ｒｔ２を求める。演算装置９は、この電気抵抗Ｒｔ２を式（２）に代入して時間ｔ２での細線３の金属母材の半径ｒｔ２を算出する。
続いて、演算装置９は、時間ｔ１及びｔ２、及び算出した半径ｒｔ１及びｒｔ２を式（３）に代入して腐食速度ΔＷｔ１−ｔ２を算出する。演算装置９は、算出した細線３の金属母材の半径ｒｔ１及びｒｔ２、及び細線３の腐食速度ΔＷｔ１−ｔ２を表示装置（図示せず）に出力し、これらの情報が表示装置に表示される。時間がｔ２からｔ３、ｔ４、ｔ５、……、ｔｎと経過し、それぞれの時間ｔｎ（ｎは正の整数）における細線３の金属母材の半径ｒｔｎ、細線３の腐食速度ΔＷｔ（ｎ−１）−ｔｎが算出されて表示装置に表示される。
ステップＳ２において、ステップＳ１にて算出した細線３の腐食速度を用いて亜鉛濃度を算出する。まず演算装置９は、予め作成され記憶装置（図示せず）に格納された図６に示す腐食速度と亜鉛濃度の関係を示す特性図を参照する。そして、ステップＳ１にて算出した腐食速度に対応する亜鉛濃度を特性図より読み出し、冷却水中の亜鉛濃度として算出する（亜鉛濃度への換算）。
従って、演算装置９は、ステップＳ１において、定電流測定装置７の電流計で測定された電流の値、及び電圧測定装置８で測定した電圧に基づいて細線３の腐食速度を求める第１演算装置（腐食速度測定部）、及びステップＳ２において、ステップＳ１で求められた腐食速度に基づいて細線３が接する冷却水中の亜鉛濃度を求める第２演算装置（亜鉛濃度測定部）から構成される。
ステップＳ３において、亜鉛濃度が設定亜鉛濃度範囲の下限値未満か否か判定する。演算装置９は、記憶装置に格納される設定亜鉛濃度範囲の下限値ＣＺｎＬと、ステップＳ２にて換算した現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣとを比較する。現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣが下限値ＣＺｎＬ未満の場合、演算装置９は、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣを図４に示す制御装置４８へ送信しステップＳ４へ進む。また、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣが下限値ＣＺｎＬ以上の場合ステップＳ５へ進む。本実施例では、設定亜鉛濃度範囲の下限値ＣＺｎＬを５ｐｐｂとしている。これは、冷却水中の亜鉛濃度が５ｐｐｂ未満になると、亜鉛による放射性核種の蓄積抑制効果が不十分となり、放射性核種の蓄積速度が増加する可能性がある。また、亜鉛注入により冷却水中の亜鉛濃度を５ｐｐｂ以上とすると、放射性核種の蓄積が十分に抑制されることに基づく。
ステップＳ４において、給水配管２５に注入する亜鉛の増加量を求める。制御装置４８は、演算装置９より送信された現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣを基に、以下の式（４）にて亜鉛注入増加量ΔＺｎを算出する。
ΔＺｎ＝ＣＺｎＬ−ＣＺｎＣ＋α ・・・（４）
αは、亜鉛濃度の上限値ＣＺｎＨと亜鉛濃度の下限値ＣＺｎＬとの差分の１／２（すなわち、設定亜鉛濃度範囲の中間値）とするのが望ましい。但し、この値に限らず下限と上限の範囲内で適宜設定しても良い。制御装置４８は、亜鉛注入装置４７と、給水配管２５に接続する注入配管に設けられた制御弁３１の開度が増加するよう制御し、求めた亜鉛注入増加量ΔＺｎを現在の亜鉛注入量に加えて給水配管２５へ注入する。亜鉛注入装置４７から給水配管２５への亜鉛注入量を増加させることにより、測定点Ａにおける冷却水中の亜鉛濃度が増加する。すなわち、測定点Ａにおける測定部２に接する冷却水中の亜鉛濃度が増加する。その後、ステップＳ１へ戻る。
ステップＳ５において、亜鉛濃度が設定亜鉛濃度範囲の上限値以上か否か判定する。演算装置９は、記憶装置に格納される設定亜鉛濃度範囲の上限値ＣＺｎＨと、ステップＳ２にて換算した現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣとを比較する。現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣが上限値ＣＺｎＨ以上の場合、演算装置９は、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣを制御装置４８へ送信しステップＳ６へ進む。また、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣが上限値ＣＺｎＨ未満の場合、処理を終了する。本実施例では、設定亜鉛濃度範囲の上限値ＣＺｎＨを１０ｐｐｂとしている。これは、冷却水中の亜鉛濃度が１０ｐｐｂ以上になると、燃料腐食への影響が懸念される。また、亜鉛注入により冷却水の亜鉛濃度を１０ｐｐｂ未満にすると、燃料腐食への影響を低減できることに基づく。
ステップＳ６において、給水配管２５に注入する亜鉛の減少量を求める。制御装置４８は、演算装置９より送信された現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣを基に、以下の式（５）にて亜鉛注入減少量−ΔＺｎを算出する。
―ΔＺｎ＝ＣＺｎＣ−ＣＺｎＨ＋α ・・・（５）
αは、亜鉛濃度の上限値ＣＺｎＨと亜鉛濃度の下限値ＣＺｎＬとの差分の１／２（すなわち、設定亜鉛濃度範囲の中間値）とするのが望ましい。但し、この値に限らず下限と上限の範囲内で適宜設定しても良い。制御装置４８は、亜鉛注入装置４７と、給水配管２５に接続する注入配管に設けられた制御弁３１の開度が減少するよう制御し、求めた亜鉛注入減少量−ΔＺｎ分、現在の亜鉛注入量から減じて給水配管２５へ注入する。亜鉛注入装置４７から給水配管２５への亜鉛注入量を減少させることにより、測定点Ａにおける冷却水中の亜鉛濃度が減少する。すなわち、測定点Ａにおける測定部２に接する冷却水の亜鉛濃度が減少する。その後、ステップＳ１へ戻る。
このように、ステップＳ１〜Ｓ６の各工程を実行する周期、すなわちサンプリング周期は、例えば、１回／時間あるいは１回／日等、設定可能である。サプリング頻度を増大させても本実施例では、特にコストの上昇を招くことなく分析が可能で、リアルタイムで冷却水中の亜鉛濃度を制御することが可能となる。
なお、本実施例では、設定亜鉛濃度範囲の下限値ＣＺｎＬとして５ｐｐｂ、設定亜鉛濃度範囲の上限値ＣＺｎＨとして１０ｐｐｂとしたが、これに限られず、例えば、原子力プラントの構造部材の性状等に応じて適宜設定しても良い。
本実施例によれば、原子力プラント運転中に、測定点における細線３の腐食速度を測定し、測定した腐食速度から測定点における冷却水中の亜鉛濃度の増減を判断する。そのため、細線３の設置された測定点における冷却水の腐食速度から亜鉛濃度に換算可能であり、測定点における冷却水中の亜鉛濃度をより精度良く求めることができる。さらに、測定点における亜鉛濃度を常時監視できるため、亜鉛濃度の変化を判定するまでの時間差を短縮できる。
また本実施例によれば、より精度よく亜鉛濃度の増減を検知できる。そのため、亜鉛注入量の制御の精度が向上し、最小限の亜鉛注入量で冷却水中の亜鉛濃度を設定亜鉛濃度範囲内に維持することができる。
図７に、本発明の好適な一実施例である実施例２の亜鉛濃度測定装置１Ａの構成図を示す。図２に示す構成要素と同一の構成要素に同一の符号を付している。実施例１では、配管１２内を通流する冷却水にクロム酸化物被膜で覆われた細線３を接触させ、通電し電気抵抗を求め腐食速度を算出する方式とした。本実施例では、クロム酸化物被膜で覆われた作用極及び対極間の電位差に更に所定の交流電圧を印加し、周波数応答解析により交流インピーダンスを求め、求めた交流インピーダンスにより腐食抵抗を算出の上、腐食速度を求める構成とした点が異なる。
図７に示すように、本実施例の亜鉛濃度測定装置１Ａは、電極ホルダ５３に取り付けられた一対の電極であり、クロム酸化物被膜で覆われた作用極４９及び対極５０、リード線５１、５２及び筐体５４からなる測定部２Ａを有する。また、亜鉛濃度測定装置１Ａは、リード線５１、５２と接続されるポテンショスタット１０、周波数応答解析装置１１及び演算装置９Ａを備えている。更に、亜鉛濃度測定装置１Ａは、測定部２Ａを収容し、内部を冷却水が通流する配管１２に位置付ける測定部支持部材１３を有する。測定部支持部材１３の一端、すなわち、配管１２と接続される側は開放されて配管１２と連絡され、他端は封止されている。電極ホルダ５３が筺体５４に取り付けら、測定部支持部材１３内に固定される。
クロム酸化物被膜で覆われた作用極４９は電極ホルダ５３及び筺体５４内を通るリード線５１に接続され、リード線５１はポテンショスタット１０に接続される。対極５０は電極ホルダ５３及び筺体５４内を通るリード線５２に接続され、リード線５２はポテンショスタット１０に接続される。ポテンショスタット１０が周波数応答解析装置１１に接続され、周波数応答解析装置１１が演算装置９Ａに接続される。
電極ホルダ５３は、作用極４９及び対極５０の間隔を一定に維持するとともに、これらの電極間に十分な電気抵抗を確保する。電極ホルダ５３は、上述の２８０°Ｃの冷却水中でも使用可能で且つ耐放射線の高い樹脂及び無機絶縁材料のいずれかで作製される。電極ホルダ５３は、クロム酸化物被膜で覆われた作用極４９及び対極５０を固定するため、例えば、電極を挿入するためのスリットを有する。
作用極４９及び対極５０のそれぞれは、同じ面積を有する平板である。配管１２内を流れる冷却水と接触する作用極４９及び対極５０の間の水質を、測定部２Ａが配置される位置での配管１２を流れる冷却水の水質と等しくするため、作用極４９及び対極５０の間で冷却水を流動させる必要がある。このため、作用極４９及び対極５０は配管１２の軸方向において配管１２の軸心に平行に配置される。作用極４９及び対極５０は互いに平行に配置され、作用極４９と対極５０の間の間隔は例えば０．５ｍｍに設定されている。また、作用極４９及び対極５０は、ステンレス鋼で作られている。作用極４９及び対極５０にそれぞれ接続されたリード線５１及び５２は、異種間金属接触による腐食及び熱起電力の発生を抑制するため、少なくとも測定部支持部材１３内では、作用極４９及び対極５０と同じ材料、すなわち、ステンレス鋼であることが望ましい。ここで、作用極４９及び対極５０の先端部と配管１２の内周面との間隔は、実施例１と同様の範囲内に設定される。
リード線５１及び５２と筺体５４との間には、電気絶縁体（図示せず）が配置され、リード線５１及び５２と筺体５４とが電気的に接続されることを防止している。この電気絶縁体は、上述の２８０°Ｃの冷却水中でも使用可能かつ耐放射線の高い樹脂及び無機絶縁材料のいずれかで作製される。
本実施例において、亜鉛濃度測定装置１Ａが取り付けられるＢＷＲプラント１４内の測定点は、実施例１と同様に図４に示す測定点Ａ〜Ｆのいずれかである。測定点Ａ〜Ｆのいずれか、例えば測定点Ａにおいて、一端部が封止された測定部支持部材１３が再循環系配管２０に取り付けられる。ここで、図７に示す配管１２は、図４に示す再循環系配管２０及び浄化系配管２７に相当する。測定部支持部材１３内は、上述のとおり配管１２と連通している。配管１２は、原子炉圧力容器１５に連絡されており、内部を冷却水が流れている。測定部支持部材１３内も冷却水で満たされている。測定部２Ａは、気密性を保って測定部支持部材１３の封止された端部を貫通し、この端部に取り付けられる。
次に、本実施例の亜鉛濃度測定装置１Ａを用いて原子力プラント、ここではＢＷＲプラント１４内の冷却水中の亜鉛濃度を制御する方法について説明する。実施例１と同様に冷却水中の亜鉛濃度を制御する処理手順は、図１に示されるフローチャートと同様である。図１に示すステップＳ１〜Ｓ６の各工程は、ＢＷＲプラント１４の運転中に行われる。このため、測定点Ａにおける再循環系配管２０内には冷却水が流れており、測定点Ａに配置された、亜鉛濃度測定装置１Ａの測定部２Ａを構成する作用極４９及び対極５０は流動している冷却水と接触している。
まず、測定点Ａにおける亜鉛濃度の測定を、ステップＳ１〜Ｓ２の各工程に基づいて説明する。ステップＳ１〜Ｓ２の各演算は、各測定点に対応して配置されたそれぞれの亜鉛濃度測定装置１Ａの演算装置９Ａで行われる。
ステップＳ１において、電極である作用極４９及び対極５０の腐食速度を測定する。ポテンショスタット１０は、測定点Ａに配置された作用極４９と対極５０の間に発生する電位差を測定し、測定された電位差に５〜１０ｍＶの範囲内の交流電圧（例えば、１０ｍＶ）を重畳させた交流電圧を、作用極４９に印加する。周波数応答解析装置１１を用いて、作用極４９に印加した交流電圧の周波数を変えて（例えば、０．１ｍＨｚ〜１００ｋＨｚ）作用極４９と対極５０の間の交流インピーダンスを測定する。測定された交流インピーダンスは周波数応答解析装置１１から演算装置９Ａに入力される。
演算装置９Ａは、入力された交流インピーダンスから、腐食抵抗を算出する。演算装置９Ａは、測定された電極間のインピーダンスを、図８に示すようにインピーダンスの実数部を横軸、インピーダンスの虚数部を縦軸としたナイキスト線図としてプロットする。このとき、Ｒ１は電極間の冷却材の導電抵抗、Ｒ２は作用極４９及び対極５０表面の腐食抵抗である。演算装置９Ａは、図８の半円と実数軸との二つの交点を求め、それらの値の差から腐食抵抗Ｒ２を算出する。腐食抵抗Ｒ２と腐食速度は反比例するため、腐食抵抗Ｒ２の逆数が作用極４９及び対極５０表面の腐食速度に相当する。
ステップＳ２において、ステップＳ１にて算出した電極の腐食速度を用いて、実施例１と同様の方法で亜鉛濃度を算出する。すなわち、演算装置９Ａは、演算装置９Ａ内の図示しない記憶装置に格納された図６に示す腐食速度と亜鉛濃度の関係を示す特性図を参照する。そして、ステップＳ１にて算出された電極の腐食速度に対応する亜鉛濃度を読み出し、冷却水中の亜鉛濃度として算出する（亜鉛濃度への換算）。
従って、演算装置９Ａは、ステップＳ１において、ポテンショスタット１０及び周波数応答解析装置１１によって測定された作用極４９と対極５０の間の交流インピーダンスに基づいて、作用極４９及び対極５０の腐食速度を求める第１演算装置（腐食速度測定部）、及びステップＳ２において、ステップＳ１で求められた腐食速度に基づいて作用極４９及び対極５０が接する冷却水中の亜鉛濃度を求める第２演算装置（亜鉛濃度測定部）から構成される。
図１に示すステップＳ３〜Ｓ６の判定と亜鉛注入量の制御は、実施例１と同様であるため、ここでは説明を省略する。本実施例の冷却水中の亜鉛濃度制御方法では、ＢＷＲプラント１４の運転中、ステップＳ１〜Ｓ６の各工程を所定の周期で繰り返し実行する。ここで所定の周期、すなわち、サンプリング周期は、例えば、１回／時間あるいは１回／日等、設定可能である。サプリング頻度を増大させても本実施例では、特にコストの上昇を招くことなく分析が可能で、リアルタイムで冷却水中の亜鉛濃度を制御することが可能となる。
本実施例によれば、実施例１と同様に、原子力プラント運転中に、測定点における作用電極４０及び対極５０の腐食速度を測定し、測定した腐食速度から測定点における冷却水中の亜鉛濃度の増減を判断する。そのため、作用極４９及び対極４０の設置された測定点における冷却水の腐食速度から亜鉛濃度に換算可能であり、測定点における冷却水中の亜鉛濃度をより精度良く求めることができる。さらに、測定点における亜鉛濃度を常時監視できるため、亜鉛濃度の変化を判定するまでの時間差を短縮できる。
また本実施例によれば、より精度よく亜鉛濃度の増減を検知できる。そのため、亜鉛注入量の制御の精度が向上し、最小限の亜鉛注入量で冷却水中の亜鉛濃度を設定亜鉛濃度範囲内に維持することができる。
図９に、本発明の他の好適な実施例である実施例３による亜鉛濃度測定装置の配置図を示す。本実施例においては、実施例１による亜鉛濃度測定装置１の測定部２、又は実施例２による亜鉛濃度測定装置１Ａの測定部２Ａを、ＢＷＲプラント１４の原子炉圧力容器１５内に設置された局所出力領域モニタ３５内に配置する。すなわち、図４に示す測定点Ｆに測定部２又は測定部２Ａを配置する。以下では、実施例１による亜鉛濃度測定装置１の測定部２を局所出力領域モニタ３５内に配置する場合を例とし説明する。
局所出力領域モニタ３５の配置構造は、複数の局所出力領域モニタ３５が、炉心１６に装荷された複数の燃料集合体の間に配置される。図９に示すように、各局所出力領域モニタ３５は、原子炉圧力容器１５内で、炉心１６の下端部に配置された炉心支持板３４の下方に設置された複数の局所出力領域モニタ外管（以下、ＬＰＲＭ外管という）３８内まで別々に伸びている。炉心支持板３４より上方に位置する上部孔３６及び炉心支持板３４より下方に位置する下部孔３７が各局所出力領域モニタ３５に形成される。外管孔４０がＬＰＲＭ外管３８の上端部に形成される。各ＬＰＲＭ外管３８は、原子炉圧力容器１５の下鏡３３を貫通し、下鏡３３に溶接にて取り付けられた複数の局所出力領域モニタハウジング（以下、ＬＰＲＭハウジングという）４１に接続される。ハウジング孔３９が、原子炉圧力容器１５内でＬＰＲＭハウジング４１の上端部に形成される。局所出力領域モニタフランジ（以下、ＬＰＲＭフランジという）４２が、ＬＰＲＭハウジング４１の下端に取り付けられ、ＬＰＲＭハウジング４１を封止する。局所出力領域モニタ３５はＬＰＲＭフランジ４１を貫通して下方に伸びる。
局所出力領域モニタ３５内に配置された測定部２は、図２に示す筺体６を局所出力領域モニタ３５の内面に取り付けることによって、測定部２と局所出力領域モニタ３５が接触しない状態で固定される。筺体６の下面に気密性を保って取り付けられたケーブル管４５が局所出力領域モニタ３５、ＬＰＲＭ外管３８及びＬＰＲＭハウジング４１内を通ってＬＰＲＭフランジ４２を貫通し、ＬＰＲＭハウジング４１の外部に達している。クロム酸化物被膜で覆われた細線３に接続されたリード線４、５が、ケーブル管４５内に配置され、ＬＰＲＭハウジング４１の外部に達している。リード線４、５は、図２に示す定電流測定装置７に接続される（図９では図示省略）。
原子炉圧力容器１５内の冷却水は、図９に矢印にて示すように、ハウジング孔３９からＬＰＲＭハウジング４１内に流入し、ＬＰＲＭハウジング４１の内面とＬＰＲＭ外管３８の外面との間を流れ、ＬＰＲＭ外管３８内を上昇する。この冷却水は、下部孔３７から局所出力領域モニタ３５内に注入し、局所出力領域モニタ３５内を通って上昇する。その後、局所出力領域モニタ３５の上部孔３６から原子炉圧力容器１５内へと流出する。
測定部２は、局所出力領域モニタ３５内を上昇する冷却水に接触する。この冷却水中の亜鉛濃度は、亜鉛注入量増加時には上昇し、亜鉛注入量減少時には低下する。ＢＷＲプラント１４の運転中において、実施例１と同様に、図２に示す演算装置９は、クロム酸化物被膜で覆われた細線３の腐食速度を測定し、この腐食速度に基づいてクロム酸化物被膜で覆われた細線３が配置された位置での局所出力領域モニタ３５内の亜鉛濃度を求める。なお、図４に示す測定点Ｆで求められる冷却水中の亜鉛濃度は、他の測定点Ａ〜Ｅにて求められる冷却水中の亜鉛濃度より高い。これは、図４に示す再循環系配管２０及び浄化系配管２７を通流する冷却水と異なり、原子炉圧力容器１５内を流れる冷却水は、燃料集合体内の核燃料物質による核分裂反応により生じる熱エネルギーにより凝縮されるため亜鉛濃度が上昇することによる。本実施例における冷却水中の亜鉛濃度を制御する処理手順は、実施例１及び実施例２において説明した図１に示すフローチャートと同様であるため、説明を省略する。
本実施例では、実施例１による亜鉛濃度測定装置１を用いる場合を説明したが、実施例２による亜鉛濃度測定装置１Ａを用いても同様となる。この場合、演算装置９Ａは、クロム酸化物被膜で覆われた作用極４９及び対極５０の腐食速度を測定し、この腐食速度に基づいてクロム酸化物被膜で覆われた作用極４９及び対極５０が配置された位置での局所出力領域モニタ３５内の冷却水中の亜鉛濃度を求めることができる。
本実施例によれば、実施例１及び実施例２による効果に加え、測定部２を局所出力領域モニタ３５内に配置することによって、局所出力領域モニタ３５を測定部支持部材１３の替りに用いることができる。
さらに、本実施例によれば、実施例１及び実施例２に比較し、より炉心に装荷された燃料集合体に近い場所での亜鉛濃度を測定することが可能となる。また、局所出力領域モニタ３５内での亜鉛濃度を基に亜鉛注入量を制御することで、亜鉛による燃料腐食への影響を抑制できる。
図９に、本発明の好適な一実施例である実施例４による原子力プラント内の冷却水中の亜鉛濃度を制御する処理手順を示すフローチャートを示す。実施例１では、複数の測定点Ａ〜Ｅのうち１つの測定点である測定点Ａに、亜鉛濃度測定装置１を構成する測定部２を設定し、冷却水中の亜鉛濃度の測定及び制御する手順を説明した。本実施例では、測定点Ａ〜Ｆのうち複数の測定点において亜鉛濃度を測定する点が実施例１と異なる。
本実施例では、実施例１による亜鉛濃度測定装置１、または実施例２による亜鉛濃度測定装置１Ａを用いることができる。
ＢＷＲプラント１４において、亜鉛濃度測定装置、例えば亜鉛濃度測定装置１が取り付けられる測定点は、図４に示す測定点Ａ〜Ｆのうちいずれ２か所以上である。測定点Ａ〜Ｅは原子炉格納容器３０内のドライウェルに配置されている。測定点Ａ及び測定点Ｂは１本の再循環系配管２０に設定され、測定点Ｃ及びＤは他の１本の再循環系配管２０に設定される。測定点Ｂ及びＣは再循環ポンプ２１の上流に位置し、測定点Ａ及びＤは再循環ポンプ２１の下流に位置する。測定点Ｅは浄化系ポンプ２８の上流で浄化系配管２７に設定される。測定点Ｆは、原子炉圧力容器１５内で、炉心１６の下端部に配置された炉心支持板３４の下方に設置されたＬＰＲＭ外管３８内まで伸びている。図４に示す測定点Ａ〜Ｆのうちいずれ２か所以上に、測定部２が取り付けられる。
例えば、測定点Ａ及び測定点Ｂに、一端部が封止された測定部支持部材１３が該当する配管１２に取り付けられる（図２参照）。測定部支持部材１３内は、配管１２と連通している。配管１２は、原子炉圧力容器１５に連絡されており、内部を冷却水が流れている。測定部支持部材１３内も冷却水で満たされている。測定部２は、気密性を保って測定部支持部材１３の封止された端部を貫通し、この端部に取り付けられる。
以下、本実施例の原子力プラント、ここではＢＷＲプラント１４内の冷却水中の亜鉛濃度を制御する処理手順について説明する。本実施例のＢＷＲ１４内の冷却水中の亜鉛濃度制御方法は、複数の測定点で亜鉛濃度を測定する。複数の測定点で測定された亜鉛濃度を基に亜鉛注入量を制御するため、測定点によって判定結果が異なる可能性がある。そのため、本実施例では、測定点に予め優先順位をつける。例えば、本実施例では、優先順位として測定点Ａを第一優先、測定点Ｂを第二優先とする。測定部２が、上述したように、測定点Ａ及び測定点Ｂにそれぞれ配置されている。図９に示すステップＳ１Ａ〜Ｓ６Ａ、及びステップＳ１Ｂ〜Ｓ６Ｂの各工程は、ＢＷＲプラント１４の運転中に行われる。このため、測定点Ａ及びＢが設定された再循環系配管２０内には冷却水が流れており、測定点Ａ及び測定点Ｂに配置された、クロム酸化物被膜で覆われた細線３は流動している冷却水と接触している。
まず、図９に示すステップＳ１Ａ〜Ｓ２Ａにおいて、実施例１のステップＳ１〜Ｓ２と同様の方法で、測定点Ａにおける亜鉛濃度を算出する。演算装置９は、測定点Ａにおけるクロム酸化物被膜で覆われた細線３の腐食速度を算出し、この算出された腐食速度から測定点Ａにおける冷却水中の亜鉛濃度を求める（亜鉛濃度への換算）。
次に、ステップＳ３Ａにおいて、実施例１のステップＳ３と同様の方法で、測定点Ａにおける現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡが設定亜鉛濃度範囲の下限値ＣＺｎＬＡ未満か否か判定する。現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡが下限値ＣＺｎＬＡ未満の場合、演算装置９は、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡを図４に示す制御装置４８へ送信しステップＳ４Ａへ進む。また、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡが下限値ＣＺｎＬＡ以上の場合ステップＳ５Ａへ進む。
ステップＳ４Ａにおいて、実施例１のステップＳ４と同様に給水配管２５に注入する亜鉛の増加量を求める。制御装置４８は、実施例１にて説明したように、式（４）により亜鉛注入増加量ΔＺｎＡを求め、求めた亜鉛注入増加量ΔＺｎＡを現在の亜鉛注入量に加えて、亜鉛注入装置４７及び制御弁３１を介して給水配管２５へ注入する。これにより、測定点Ａにおける冷却水中の亜鉛濃度が増加する。その後、ステップＳ１Ａに戻る。
ステップＳ５Ａにおいて、実施例１のステップＳ５と同様に、測定点Ａにおける現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡが設定亜鉛濃度範囲の上限値ＣＺｎＨＡ以上か否か判定する。現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡが上限値ＣＺｎＨＡ以上の場合、演算装置９は、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡを制御装置４８へ送信しステップＳ６Ａへ進む。また、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡが上限値ＣＺｎＨＡ未満の場合ステップＳ１Ｂへ進む。
ステップＳ６Ａにおいて、実施例１のステップＳ６と同様に、給水配管２５に注入する亜鉛の減少量を求める。制御装置４８は、実施例１にて説明したように、式（５）により亜鉛注入減少量―ΔＺｎＡを求め、求めた亜鉛注入減少量−ΔＺｎＡ分、現在の亜鉛注入量から減じて、亜鉛注入装置４７及び制御弁３１を介して給水配管２５へ注入する。これにより測定点Ａにおける冷却水中の亜鉛濃度が減少する。その後、ステップＳ１Ａに戻る。
続いて、ステップＳ１Ｂ〜ステップＳ２Ｂにおいて、ステップＳ１Ａ〜ステップＳ２Ａと同様の方法で、測定点Ｂにおける亜鉛濃度を算出する。上記ステップＳ５Ａの判定が「Ｎｏ」であるとき、すなわち、測定点Ａにおける現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＡが設定亜鉛濃度範囲内であるとき、演算装置９は、測定点Ｂにおけるクロム酸化物被膜で覆われた細線３の腐食速度を算出し、この算出された腐食速度から測定点Ｂにおける冷却水中の亜鉛濃度を求める（亜鉛濃度への換算）。
ステップＳ３Ｂでは、ステップＳ３Ａと同様の方法で、測定点Ｂにおける現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＢが設定亜鉛濃度範囲の下限値ＣＺｎＬＢ未満か否か判定する。現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＢが下限値ＣＺｎＬＢ未満の場合、演算装置９は、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＢを制御装置４８へ送信しステップＳ４Ｂへ進む。また、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＢが下限値ＣＺｎＬＢ以上の場合ステップＳ５Ｂへ進む。
ステップＳ４Ｂでは、ステップＳ４Ａと同様に、給水配管２５に注入する亜鉛の増加量を求める。制御装置４８は、式（４）により亜鉛注入増加量ΔＺｎＢを求め、求めた亜鉛注入増加量ΔＺｎＢを現在の亜鉛注入量に加えて、亜鉛注入装置４７及び制御弁３１を介して給水配管２５へ注入する。これにより、測定点Ｂにおける冷却水中の亜鉛濃度が増加する。その後、ステップＳ１Ａへ戻る。
ステップＳ５Ｂにおいて、ステップＳ５Ａと同様に、測定点Ｂにおける現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＢが設定亜鉛濃度範囲の上限値ＣＺｎＨＢ以上か否か判定する。現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＢが上限値ＣＺｎＨＢ以上の場合、演算装置９は、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＢを制御装置４８へ送信しステップＳ６Ｂへ進む。また、現在の亜鉛濃度ＣＺｎＣＢが上限値ＣＺｎＨＢ未満の場合、処理を終了する。
ステップＳ６Ｂにおいて、ステップＳ６Ａと同様に、給水配管２５に注入する亜鉛の減少量を求める。制御装置４８は、式（５）により亜鉛注入減少量―ΔＺｎＢを求め、求めた亜鉛注入減少量−ΔＺｎＢ分、現在の亜鉛注入量から減じて、亜鉛注入装置４７及び制御弁３１を介して給水配管２５へ注入する。これにより測定点Ｂにおける冷却水中の亜鉛濃度が減少する。その後、ステップＳ１Ａに戻る。
このように、ステップＳ１Ａ〜ステップＳ６Ｂの各工程を実行する周期、すなわちサンプリング周期は、例えば、１回／時間あるいは１回／日等、設定可能である。サプリング頻度を増大させても本実施例では、特にコストの上昇を招くことなく分析が可能で、リアルタイムで冷却水中の亜鉛濃度を制御することが可能となる。
なお、本実施例では、複数の測定点として測定点Ａ及び測定点Ｂを設定する場合を説明したが、これに限らず３箇所以上の測定点に対し同様の処理を行うよう構成しても良い。また、再循環系配管２０に設定される測定点Ａ〜測定点Ｄ及び浄化系配管２７に設定される測定点Ｅにおいては、測定部２又は測定部２Ａにより測定される腐食速度はほぼ同一となる。それゆえ、測定点Ａ〜測定点Ｅにおいて、設定亜鉛濃度範囲の上限値ＣＺｎＨ及び下限値ＣＺｎＬは同一値に設定しても良い。また、測定点Ｆにおける設定亜鉛濃度範囲の上限値ＣＺｎＨＦは、他の測定点に設定される上限値ＣＺｎＨよりも低く設定するのが望ましい。これは、上述のとおり、他の測定点と比較し測定点Ｆで測定される亜鉛濃度は高い値を示す傾向にあること、亜鉛濃度上昇による燃料集腐食への影響を回避するためである。また、測定点として測定点Ｆを含める場合には、測定点Ｆを第一優先とするのが好ましい。
本実施例によれば、実施例１から実施例３による効果に加え、ＢＷＲプラント１４内の複数の測定点において測定した亜鉛濃度に基づいて亜鉛注入量を制御するため、より広範囲において、冷却水中の亜鉛濃度を設定亜鉛濃度範囲内に維持することが可能となる。
上記実施例１乃至４では、ＢＷＲプラント１４を例に説明したが、同様に、加圧水型原子力プラント（ＰＷＲ）にも適用することができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１,１Ａ…亜鉛濃度測定装置、２,２Ａ…測定部、３…細線、４,５，５１，５２…リード線、６，５４…筐体、７…定電流測定装置、８…電圧測定装置、９,９Ａ…演算装置、１０…ポテンショスタット、１１…周波数応答解析装置、１２…配管、１３…測定部支持部材、１４…沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）、１５…原子炉圧力容器、１６…ダウンカマ、１７…気水分離器、１８…蒸気乾燥器、１９…ダウンカマ、２０…再循環系配管、２１…再循環系ポンプ、２２…主蒸気配管、２３…タービン、２４…復水器、２５…給水配管、２６…給水ポンプ、２７…浄化系配管、２８…浄化系ポンプ、２９…浄化装置、３０…原子炉格納容器、３１…制御弁、３３…下鏡、３４…炉心支持板、３５…局所出力領域モニタ、３６…上部孔、３７…下部孔、３８…局所出力領域モニタ外管、３９…局所出力領域モニタハウジング孔、４０…外管孔、４１…局所出力領域モニタハウジング、４２…局所出力領域モニタフランジ、４４…ドレン配管、４５…ケーブル管、４６…水素注入装置、４７…亜鉛注入装置、４８…制御装置、４９…作用極、５０…対極、５３…電極ホルダ

Claims (13)

  1. 少なくとも原子炉圧力容器及び当該原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器内に敷設される配管のうち、いずれか一方を通流する冷却水中の亜鉛濃度を測定する方法であって、
    測定対象箇所に、クロム酸化物被膜で覆われた構成部材を前記冷却水と接触するよう配置し、
    前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材の腐食速度を測定し、
    前記測定された腐食速度に基づき亜鉛濃度を求めることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定方法。
  2. 請求項１に記載の原子力プラントの亜鉛濃度測定方法において、
    前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材の腐食速度と亜鉛濃度との相関を示す情報を予め記憶し、
    前記相関を示す情報に基づいて、前記測定された腐食速度に対応する亜鉛濃度を求めることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定方法。
  3. 請求項２に記載の原子力プラントの亜鉛濃度測定方法において、
    前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材として細線を用い、定電流測定装置により前記細線に一定の電流を印加し、電圧測定装置により前記細線の電圧を測定し、前記測定された電流及び電圧に基づき前記細線の電気抵抗を算出し、算出された電気抵抗に基づき前記細線の腐食速度を求めることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定方法。
  4. 請求項２に記載の原子力プラントの亜鉛濃度測定方法において、
    前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材として、対向する一対の電極を用い、前記電極間に交流電圧を印加し、前記電極間の交流インピーダンスを測定し、前記測定された交流インピーダンスに基づき前記電極表面の腐食抵抗を求め、前記求めた腐食抵抗に基づき前記電極の腐食速度を求めることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定方法。
  5. 少なくとも原子炉圧力容器内及び当該原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器内に敷設される配管のうち、いずれか一方に設置され、クロム酸化物被膜で覆われた構成部材を有する腐食速度測定部と、
    前記腐食速度測定部の測定結果に基づき前記原子炉圧力容器内及び/又は原子炉格納容器内の配管を通流する冷却水中の亜鉛濃度に換算する亜鉛濃度測定部を有することを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定装置。
  6. 請求項５に記載の原子力プラントの亜鉛濃度測定装置において、
    前記亜鉛濃度測定部は、予め前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材の腐食速度と亜鉛濃度との相関を示す情報を格納する記憶装置を備え、
    前記記憶装置に格納された腐食速度と亜鉛濃度との相関を示す情報を参照し、前記腐食速度測定部からの測定結果に対応する亜鉛濃度を求めることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定装置。
  7. 請求項６に記載の原子力プラントの亜鉛濃度測定装置において、
    前記記憶装置に格納された腐食速度と亜鉛濃度との相関を示す情報は、予め異なる亜鉛濃度の複数の冷却水を用意し、前記冷却水毎に前記腐食速度測定部による測定結果を取得し、各亜鉛濃度と対応する腐食速度の関係を示す特性図又はテーブルとして前記記憶装置に格納することを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定装置。
  8. 請求項６に記載の原子力プラントの亜鉛濃度測定装置において、
    前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材は細線であって、
    前記細線の一端に接続される第１のリード線と、前記細線の他端に接続される第２のリード線を有し、
    前記第１及び第２のリード線により並列に接続される定電流測定装置と電圧測定装置を備え、
    前記定電流測定装置により前記細線に一定の電流を印加し、前記電圧測定装置により前記細線の電圧を測定し、前記測定された電流及び電圧に基づき前記細線の電気抵抗を算出し、算出された電気抵抗に基づき前記細線の腐食速度を求めることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定装置。
  9. 請求項６に記載の原子力プラントの亜鉛濃度測定装置において、
    前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材は対向する一対の電極であって、前記電極間に交流電圧を印加し、前記電極間の交流インピーダンスを測定し、前記測定された交流インピーダンスに基づき前記電極表面の腐食抵抗を求め、前記求めた腐食抵抗に基づき前記電極の腐食速度を求めることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定装置。
  10. 請求項８又は請求項９に記載の原子力プラントの亜鉛濃度測定装置において、
    前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材は、前記原子炉圧力容器内の中性子束を検出する局所出力領域モニタ内に、前記冷却水と接触するよう配置されることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度測定装置。
  11. 少なくとも原子炉圧力容器及び当該原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器内に敷設される配管のうち、いずれか一方を通流する冷却水中の亜鉛濃度を制御する方法であって、
    測定対象箇所に、クロム酸化物被膜で覆われた構成部材を前記冷却水と接触するよう配置し、
    前記クロム酸化物被膜で覆われた構成部材の腐食速度を測定し、前記測定された腐食速度に基づき亜鉛濃度を求め、
    前記求めた亜鉛濃度を予め設定された設定亜鉛濃度範囲の下限値未満か否か判定し、下限値未満の場合、前記下限値と前記求めた亜鉛濃度との差分に所定量加算した値を、前記冷却水へ注入する亜鉛の増加量とし、
    前記求めた亜鉛濃度を予め設定された設定亜鉛濃度範囲の上限値以上か否か判定し、上限値以上の場合、前記求めた亜鉛濃度と前記上限値との差分に前記所定量加算した値を、前記冷却水へ注入する亜鉛の減少量とすることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度制御方法。
  12. 請求項１１に記載の原子力プラントの亜鉛濃度制御方法において、
    前記下限値と前記求めた亜鉛濃度との差分に加算及び、前記求めた亜鉛濃度と前記上限値との差分に加算する前記所定量は、前記設定亜鉛濃度範囲の中間値であることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度制御方法。
  13. 請求項１１に記載の原子力プラントの亜鉛濃度制御方法において、
    前記設定亜鉛濃度範囲の下限値は５ｐｐｂであり、前記設定亜鉛濃度範囲の上限値は１０ｐｐｂであることを特徴とする原子力プラントの亜鉛濃度制御方法。
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