JP2016191619A - 復水脱塩装置及び復水脱塩方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子力発電プラントにおいて、復水中に存在する酸化促進物質を分解することで復水脱塩装置におけるイオン交換樹脂を長寿命化させ、イオン交換樹脂の交換頻度を減少させる方法及び装置を提供する。
【解決手段】イオン交換樹脂の混床に対して、体積比で２％乃至５０％の範囲で金属担持樹脂を混合してなるイオン交換樹脂層が充填されてなる原子力発電プラントの復水脱塩装置６に、復水を通水線流速２０ｍ／ｈ乃至２００ｍ／ｈの範囲で通水して復水に含まれている酸化促進物質を分解すると共に、イオン交換樹脂で不純物を除去する、原子力発電プラントの復水脱塩方法及び装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力発電所プラントの復水脱塩方法及び装置に関し、特に、復水中に含まれる過酸化水素などの酸化促進物質を分解除去する復水脱塩方法及び装置に関する。

原子力発電所プラントでは、復水を浄化する目的で中空糸膜フィルタを用いた復水ろ過装置や、粒状イオン交換樹脂を用いた脱塩装置が設けられている。この復水脱塩装置は、原子炉構成材料の腐食を抑止し、原子炉水中の放射性物質を除去することにより作業員の被ばく量を低減するなどの目的で設置されている。

イオン交換樹脂を含む復水脱塩装置においては、イオン交換樹脂の能力低下時にはイオン交換樹脂を交換することが必要になり、その際には、新しいイオン交換樹脂の費用に加えて、使用済みイオン交換樹脂が放射性廃棄物として発生するため、放射性廃棄物の処理に伴う費用及び場所が必要になる。そのため、イオン交換樹脂の長寿命化を図ることが望まれている。

しかし、沸騰水型原子力発電プラントの原子炉水には、燃料棒から発生する放射線の照射を受けて水が分解されることにより発生する過酸化水素、及び過酸化水素から生成するヒドロペルオキシラジカルやヒドロキシラジカルなどの酸化促進物質（以下「酸化促進物質」という。）が含まれている。また、復水中には、原子炉からタービンや復水器を経由して原子炉内に存在する酸化促進物質が存在している。原子炉水中には通常、過酸化水素が数ｐｐｍ乃至数１００ｐｐｍオーダーで含まれている。

この酸化促進物質は、非常に強力な酸化作用を有するため、イオン交換樹脂のカチオン樹脂を酸化し、ポリスチレンスルホン酸（ＰＳＳ）を溶出させる。溶出したＰＳＳは、アニオン交換樹脂に付着し、アニオン交換樹脂の反応速度を低下させる。さらに、過酸化水素によりカチオン交換樹脂が酸化されて劣化するため、カチオン交換樹脂から硫酸イオン等が溶出し、復水脱塩装置の出口の導電率を上昇させる。

イオン交換樹脂の劣化の主原因は、水中に含まれる酸化促進物質が接触することによるカチオン交換樹脂の酸化によるものと考えられている。そこで、カチオン交換樹脂と接触する前に、酸化促進物質を含む水をアニオン交換樹脂と接触させてアルカリ分解する方法（特許文献１）、粒状活性炭と接触させて酸化促進物質を除去する方法や白金族系触媒粒子を担持させたイオン交換樹脂と接触させて酸化促進物質を除去する方法（特許文献２）、白金をコーティングした触媒コーティング膜に通水させて酸化促進物質を除去する方法（特許文献３）、活性炭と接触させて酸化促進物質を吸着させて除去する方法（特許文献４）、マンガンフィルタに通水して酸化促進物質を除去する方法（特許文献５）が提案されている。しかし、これまでに提案されている方法は、原子力発電プラントの放射性廃液の浄化処理に関するものであり、一次冷却水である復水の浄化に用いられた例はない。また、復水脱塩装置の前段には酸化促進物質を除去する装置を設置し、酸化促進物質を復水脱塩装置内のイオン交換樹脂と接触させない方策がとられており、復水脱塩装置内に流入した酸化促進物質を除去する方法は提案されていない。

特開２０００−００２７８７号公報 特開平１０−１１１３８７号公報 特開２００３−１５６５８９号公報 特開２００８−２３２７７３号公報 特開２０１４−０７１００４号公報

本発明は、原子力発電プラントの復水中の酸化促進物質を低減させ、復水脱塩装置におけるイオン交換樹脂を長寿命化させ、イオン交換樹脂の交換頻度を減少させることを目的とする。

本発明によれば、原子力発電プラントの復水脱塩装置において、原子炉内で発生した、放射線分解により発生する過酸化水素などの酸化促進物質を含む被処理水をイオン交換樹脂により脱塩処理する際に、特定の金属担持樹脂と接触させて被処理水中の酸化促進物質を低減させ、復水脱塩装置で使用しているイオン交換樹脂への負荷を低減させて処理水の水質を高純度に維持すると共に、イオン交換樹脂の寿命を延長し、放射性二次廃棄物となる使用済みイオン交換樹脂の発生量を低減させる、原子力発電プラントにおける復水処理技術が提供される。

既存の原子力発電プラントでは、復水脱塩装置の前段に、金属担持樹脂を充填した処理装置を新たに設置することは経済的に多額の費用を必要とするだけでなく、設置するスペースにも限りがあり、実用的ではない。

また、復水脱塩装置で使用しているイオン交換樹脂は、通水中に徐々に圧密化するため、定期的に水と空気を用いた逆洗操作を行う必要がある。従って、復水脱塩装置内に充填されているイオン交換樹脂の最表層に金属担持樹脂を位置づけても、逆洗運転時に下層のイオン交換樹脂と混合されてしまい、金属担持樹脂を最上層に保持することはできない。金属担持樹脂の効果を発揮するためには、金属担持樹脂を最表層に配置することが必要と考えられていたことから、復水脱塩装置に金属担持樹脂を用いた事例はない。

発明者らは、逆に、金属担持樹脂をイオン交換樹脂に混合することで、酸化促進物質を分解し、イオン交換樹脂への負荷を軽減できることを見出し、イオン交換樹脂の寿命を延長することが可能であることを見出した。

具体的には、本発明は以下の態様を含む。
（１） 原子力発電プラントの復水処理において、強酸性カチオン樹脂と強塩基性アニオン樹脂の混床に対して金属担持樹脂を体積比で２％乃至５０％の範囲で混合してなるイオン交換樹脂層を充填してなる復水脱塩装置に、復水を通水線流速２０ｍ／ｈ乃至２００ｍ／ｈの範囲で通水する、原子力発電プラントの復水脱塩方法。
（２） 前記金属担持樹脂に担持されている金属は、パラジウム、白金、マンガン、鉄又はチタンの微粒子から選択される、（１）に記載の原子力発電プラントの復水脱塩方法。（３） 前記金属担持樹脂は、パラジウム、白金、マンガン、鉄又はチタンの微粒子から選択される金属を担持してなる強塩基性ゲル型アニオン樹脂である、（１）又は（２）に記載の原子力発電プラントの復水脱塩方法。
（４） 原子力発電プラントの復水処理において、強酸性カチオン樹脂と強塩基性アニオン樹脂の混床に対して、金属担持樹脂を体積比で２％乃至５０％の範囲で混合してなるイオン交換樹脂層が充填され、当該イオン交換樹脂層は復水を通水線流速２０ｍ／ｈ乃至２００ｍ／ｈの範囲で通水することを可能とするように充填されている、原子力発電プラントの復水脱塩装置。
（５） 前記金属担持樹脂に担持されている金属は、パラジウム、白金、マンガン、鉄又
はチタンの微粒子から選択される、（４）に記載の原子力発電プラントの復水脱塩装置。（６） 前記金属担持樹脂は、パラジウム、白金、マンガン、鉄又はチタンの微粒子から選択される金属を担持してなる強塩基性ゲル型アニオン樹脂である、（（４）又は（５）に記載の原子力発電プラントの復水脱塩装置。

本発明の原子力発電プラントの復水脱塩方法及び装置によれば、原子炉で発生する放射線により、水の放射線分解により生成する過酸化水素などの酸化促進物質を効率よく分解できるので、復水脱塩装置に充填されているイオン交換樹脂の酸化劣化を防止し、処理水の水質を高純度に維持できるとともに、イオン交換樹脂の寿命を長くして放射性二次廃棄物となる使用済みイオン交換樹脂の発生量を低減することができる。原子力発電プラントにおける復水処理にとって、放射性二次廃棄物の減容化は重要な課題であり、これらを達成することができる本発明の意義は大きい。

図１は、沸騰水型原子力発電プラントの一次冷却水系のフローを示す概略構成図である。 図２は、実施例１で用いた閉ループ循環装置の概略フローを示す概念図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１に、沸騰水型原子力発電プラントの一次冷却水系のフローを示す。

原子炉１で発生した蒸気は高圧タービン２及び低圧タービン３で発電に使用された後、復水器４で冷却され、復水ろ過装置５や復水脱塩装置６で浄化され、原子炉１に戻される循環路を形成している。

原子炉１にて原子炉水は放射線分解され、過酸化水素、ヒドロキシラジカル、ヒドロキシペルオキシラジカルなどの酸化促進物質を発生させる。これらの酸化促進物質は、蒸気と共に上記循環路内を移動するため、復水脱塩装置６のイオン交換樹脂が酸化分解されることとなる。

復水脱塩装置６には、通常、強酸性カチオン樹脂と強塩基性アニオン樹脂が混合状態（「混床」という。）で充填されている。通常、樹脂層高は８００ｍｍ乃至２０００ｍｍであり、ここに通水線流速で２０ｍ／ｈ乃至２００ｍ／ｈの範囲、好ましくは８０ｍ／ｈ乃至１３０ｍ／ｈの範囲で、復水を通水させて浄化及び脱塩した後、原子炉１に戻している。沸騰水型原子力発電プラントで広く使用されている復水脱塩装置では、樹脂層高は１０００ｍｍ程度、通水線流速は１００ｍ／ｈ程度である。

本発明は、復水脱塩装置６内に充填するイオン交換樹脂混床に対して、金属担持樹脂を２％乃至５０％の範囲、好ましくは１０％乃至３０％の範囲で混合し、復水中に含まれる酸化促進物質を分解することで、イオン交換樹脂への負荷を軽減するものである。

金属担持樹脂としては、パラジウム、白金、マンガン、鉄又はチタンの微粒子から選択される金属粒子をポリマー樹脂上に担持させてなる強塩基性ゲルタイプ球形樹脂が好ましい。強塩基性ゲルタイプ球形樹脂としては、レバチット モノプラスＭ５００（ＬＥＷＡＴＩＴ（登録商標）ＭｏｎｏＰｌｕｓＭ５００）、レバチットＡＳＢ１（ＬＥＷＡＴＩＴ（登録商標）ＡＳＢ１）、ダイヤイオン（登録商標）ＳＡ１０Ａ、ダウエックス（登録商
標）ＳＢＲ−Ｐなどの市販品を好適に用いることができる。金属粒子の担持量は、０．１ｇ／Ｌ乃至１０ｇ／Ｌ、好ましくは０．５ｇ／Ｌ乃至５ｇ／Ｌの範囲が望ましい。

混床への添加率が２％未満であると、酸化促進物質の分解を十分に行うことができない。金属担持樹脂の添加率の上限は特に制限はないが、およそ５０％で十分であり、５０％を超えても分解効果が大幅に増加することがないので費用対効果を考慮し、適切な添加率を決定することができる。

復水脱塩装置６に混床として充填されているイオン交換樹脂としては、通常の原子力発電プラントの復水脱塩装置に用いられる強塩基性アニオン交換樹脂及び強酸性カチオン交換樹脂を用いることができる。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
図２に示す閉ループ試験装置（図中「Ｐ」はポンプ、「ＤＯ」は溶存酸素計、「ＦＩ」は流量計、「ＴＩ」は温度計を示す）を用いて、原水タンクにて過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）濃度を５ｍｇ／Ｌとなるように調整した純水を樹脂カラムに循環通水し、イオン交換樹脂から溶出するＴＯＣ（全有機体炭素）を系内で濃縮させ、そのＴＯＣ濃度を経時的に測定し、イオン交換樹脂からのＴＯＣ溶出速度を評価した。ＴＯＣ濃度の測定は、全有機体炭素計（島津製作所製ＴＯＣ−Ｖ）にて行った。主な試験条件は以下のとおりである。
・カラム内径：２５ｍｍΦ
・通水線流速：４０ｍ／ｈ
・被処理水（純水）温度：４０℃
・過酸化水素濃度：５ｍｇ／Ｌ
樹脂カラムとして表１に示す３種類を用いて、２００時間程度通水したときのＴＯＣ濃度を測定し、対照２のＴＯＣ濃度を「１」としたときの相対値で評価した。樹脂カラムに充填した各イオン交換樹脂は以下のとおりである。
「Pd担持樹脂」：約１ｇ／ＬのＰｄを担持させた強塩基性ゲルタイプ球形アニオン交換樹脂（ランクセス社Lewatit（登録商標）K7333）
「カチオン交換樹脂」：ダウケミカル社製HCR-W2 H
「アニオン交換樹脂」：ダウケミカル社製SBR-PC OH

対照１では、樹脂層表層部で過酸化水素を完全に分解できるためＴＯＣ濃度を１／１０程度にまで低減させることができる。しかし、対照１の充填態様は逆洗再生をすることによって各イオン交換樹脂が混合してしまうため、逆洗再生を必要とする復水脱塩装置の実運転では実現できない。

実施例１では、対照１よりはＴＯＣ濃度の低減効果が低いが、対照２の４割まで低減することができた。イオン交換樹脂の寿命がＴＯＣ濃度のみに依存すると仮定した場合には、樹脂の寿命を２．５倍まで改善できる。本発明の復水脱塩装置及び復水脱塩方法によれば、逆洗再生を実施する必要がある復水脱塩装置におけるイオン交換樹脂の酸化劣化を防止し、処理水の水質を高純度に維持できるとともに、イオン交換樹脂の寿命を長くして放射性二次廃棄物となる使用済みイオン交換樹脂の発生量を低減することができる。

Claims (6)

1. 原子力発電プラントの復水処理において、強酸性カチオン樹脂と強塩基性アニオン樹脂の混床に対して金属担持樹脂を体積比で２％乃至５０％の範囲で混合してなるイオン交換樹脂層を充填してなる復水脱塩装置に、復水を通水線流速２０ｍ／ｈ乃至２００ｍ／ｈの範囲で通水する、原子力発電プラントの復水脱塩方法。
2. 前記金属担持樹脂に担持されている金属は、パラジウム、白金、マンガン、鉄又はチタンの微粒子から選択される、請求項１に記載の原子力発電プラントの復水脱塩方法。
3. 前記金属担持樹脂は、パラジウム、白金、マンガン、鉄又はチタンの微粒子から選択される金属を担持してなる強塩基性ゲル型アニオン樹脂である、請求項１又は２に記載の原子力発電プラントの復水脱塩方法。
4. 原子力発電プラントの復水処理において、強酸性カチオン樹脂と強塩基性アニオン樹脂の混床に対して、金属担持樹脂を体積比で２％乃至５０％の範囲で混合してなるイオン交換樹脂層が充填され、当該イオン交換樹脂層は復水を通水線流速２０ｍ／ｈ乃至２００ｍ／ｈの範囲で通水することを可能とするように充填されている、原子力発電プラントの復水脱塩装置。
5. 前記金属担持樹脂に担持されている金属は、パラジウム、白金、マンガン、鉄又はチタンの微粒子から選択される、請求項４に記載の原子力発電プラントの復水脱塩装置。
6. 前記金属担持樹脂は、パラジウム、白金、マンガン、鉄又はチタンの微粒子から選択される金属を担持してなる強塩基性ゲル型アニオン樹脂である、請求項４又は５に記載の原子力発電プラントの復水脱塩装置。

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