JP2018185271A

JP2018185271A - 原子力プラントの運転システム、その運転方法、及びその運転プログラム

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Publication number: JP2018185271A
Application number: JP2017088406A
Authority: JP
Inventors: 阿部　由美子; Yumiko Abe; 由美子阿部; 浩志松宮; Hiroshi Matsumiya; 智香子岩城; Chikako Iwaki
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-11-22

Abstract

【課題】炉心機器の腐食の進行を遅らせることができる原子力プラントの運転システム、その運転方法、及びその運転プログラムを提供する。【解決手段】ＳｉＣ複合材で構成される炉心機器２８に接触する炉水または冷却水の水質を監視する水質検出部２９と、ＳｉＣまたはＳｉＣ複合材の電気化学データηを保持する電気化学データ保持部３１と、水質及び電気化学データηに基づいて腐食進行速度が低下する電位を選定する電位選定部３２と、選定された電位Ｖ*を炉心機器２８に印加する電位調整部３４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、原子力プラントに使用するＳｉＣ複合材の耐食性向上技術に関する。

ＳｉＣ（炭化シリコン）複合材は、ＳｉＣモノリシックの弱点である脆性を改良したもので、ＳｉＣ繊維とＳｉＣモノリシックとを複合化した材料である。
このため、飛行機やガスタービンへの適用が進められており、未来の構造材料としての可能性を有している。

近年、原子力プラントの安全性向上の一環として、これらのＳｉＣ複合材の適用を進めている。
ＳｉＣ複合材は、融点が高い点や、高温酸化環境下における耐酸化性がある点、発熱反応時の水素発生速度が金属と比較して遅い点など、利点が多い。
また、中性子吸収断面積がジルカロイの２５％程度なため、熱中性子の有効利用が可能でもある。

原子力分野では、燃料被覆管又はチャンネルボックスなど炉心を構成する構成機器（以下、「炉心機器」という）を中心に適用が模索されている。
炉心機器は常に温度２８０℃〜３９０℃の高温水に接するため、炉心機器の構成材料を選定する際には、耐食性が重要項目の一つになっている。
しかし、これまでＳｉＣ複合材は、原子力プラントのような高温水域での適用が検討されておらず、耐食性については十分検討されていなかった。

特表２０１２−５０１４５０号公報

しかしながら、近年の耐食性評価結果より、ＳｉＣ複合材は、原子力プラントの運転温度域である２８０℃〜３９０℃では、耐食性が低下して、高耐食性を維持することが困難になるという課題があった。
高温水中でＳｉＣが溶存酸素と反応して生成されるＳｉＯ_２が、高温環境下ですぐに溶解してしまうためである。
高耐食性を維持する対策として、製造プロセスの改良又は炉心機器表面のコーティングなどが検討されているが、対策は十分ではない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、炉心機器の腐食の進行を遅らせることができる原子力プラントの運転システム、その運転方法、及びその運転プログラムを提供することを目的とする。

本実施形態に係る原子力プラントの運転システムは、ＳｉＣ複合材で構成される炉心機器に接触する炉水または冷却水の水質を監視する水質検出部と、ＳｉＣまたはＳｉＣ複合材の電気化学データを保持する電気化学データ保持部と、前記水質及び前記電気化学データに基づいて腐食進行速度が低下する電位を選定する電位選定部と、選定された前記電位を前記炉水又は前記冷却水に接する前記炉心機器に印加する電位調整部と、を備えるものである。

本実施形態に係る原子力プラントの運転方法は、ＳｉＣ複合材で構成される炉心機器に接触する炉水または冷却水の水質を監視するステップと、ＳｉＣまたはＳｉＣ複合材の電気化学データを保持するステップと、前記水質及び前記電気化学データに基づいて腐食進行速度が低下する電位を選定するステップと、選定された前記電位を前記炉心機器に印加するステップと、を含むものである。

本実施形態に係る原子力プラントの運転プログラムは、ＳｉＣ複合材で構成される炉心機器に接触する炉水または冷却水の水質を監視するステップ、ＳｉＣまたはＳｉＣ複合材の電気化学データを保持するステップ、前記水質及び前記電気化学データに基づいて腐食進行速度が低下する電位を選定するステップ、選定された前記電位を前記炉心機器に印加するステップ、を実行するものである。

本発明により、炉心機器の腐食の進行を遅らせることができる原子力プラントの運転システム、その運転方法、及びその運転プログラムが提供される。

実施形態に係る沸騰水型原子力プラント及びその運転システムの概略構成図。ＳｉＣ又はＳｉＣ複合材の電気化学データとしての分極曲線の一例を示す図。チャンネルボックスへの電極の設置例を示す概略図。燃料被覆管への電極の設置例を示す概略図。実施形態に係る原子力プラントの運転方法を示すフローチャート。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、実施形態に係る沸騰水型（ＢＷＲ：Boiling Water Reactor）原子力プラント１００及びその運転システム１０（以下、単に「運転システム１０」という）の概略構成図である。
なお、以下ＢＷＲプラント１００を例に取り説明するが、運転システム１０はＰＷＲプラントにも適用することが可能である。

ＢＷＲプラント１００においては、燃料棒１１を収納したチャンネルボックス１２（いずれも図４に示す）を有する燃料集合体５が複数装荷された炉心１３を円筒状の炉心シュラウド１４が囲んで構成されている。
炉心シュラウド１４の上方で生成された乾燥蒸気は、原子炉圧力容器１６から主蒸気配管１５を介して導かれたタービン１７の駆動に使用され、仕事をした主蒸気は復水器１８で凝縮して復水とされ、復水ポンプ１９、復水浄化系２１が配設された復水配管２５から給水ポンプ２２を経て、給水配管２０を介して原子炉圧力容器１６内に戻される。

原子炉圧力容器１６の下鏡部２４には、制御棒駆動機構２３を格納した複数の制御棒駆動機構ハウジング４０が設けられている。
制御棒駆動機構２３は、制御棒２６に連結されて、制御棒２６を燃料集合体５間に挿入及び抜去させて原子炉出力を制御する。
実施形態にかかる運転システム１０は、チャンネルボックス１２又は燃料棒１１の燃料被覆管２７などのＳｉＣ複合材で構成された炉心機器２８の腐食進行速度を制御するものである。

実施形態にかかる運転システム１０は、図１に示されるように、水質検出部２９及び電位制御部３０を備える。
電位制御部３０は、主に電気化学データ保持部３１、電位選定部３２、及び電位調整部３４で構成される。

水質検出部２９は、ＳｉＣ複合材で構成される炉心機器２８に接触する炉水または冷却水の水質を監視する。
２８０℃以上の高温になる圧力容器１６内の炉水は、温度以外の水質を測定するのは困難であるので、圧力容器１６外部の、より低温な箇所に水質検出部２９を設ける。

水質検出部２９の設置箇所は、水圧などの関係から、復水浄化系２１と給水ポンプ２２との間の復水配管２５が好ましい。
ただし、復水ポンプ１９から復水浄化系２１区間内の復水配管２５（図１中の点α）又は給水ポンプ２２から原子炉圧力容器１６区間内の給水配管２０（図１中の点β）であってもよい。

なお、復水ポンプ１９から復水浄化系２１の区間内の復水配管２５に設ける場合、給水ポンプ２２によって、給水の水圧が高められているので、図１に示されるように、一部分水して水質を検出することが望ましい。
取得される水質データξは、従来から既に測定可能なものも含め、温度、pH、溶存酸素、溶存水素濃度、及び伝導率等である。

電気化学データ保持部３１は、ＳｉＣ複合材の電気化学データηを保持する。
電気化学データηは、例えば、水質データξをパラメータとした分極曲線、及びこの分極曲線から得られる電位及び電流密度である。
また、この電流密度から換算されて、電流密度の増加に伴って大きくなるＳｉＣ複合材の腐食進行速度も電気化学データηである。

ここで、図２は、ＳｉＣ又はＳｉＣ複合材の電気化学データηとしての分極曲線の一例を示す図である。
図２中、横軸の単位［VvsSSE］は、飽和塩化銀参照電極に対する電圧値を示す。
図２の一例では、−０．５〜−０．３［VvsSSE］の電位域Ωになるように電位Ｖ^*を印加すれば、電流密度をより低いものにすることができ、腐食の進行を遅らせることができる。

なお、電気化学データ保持部３１に保持する電気化学データηは、水質検出部２９で検出される水質データξで随時修正がかけられてもよい。
つまり、水質データξを測定した腐食電圧Ｖ_f及び腐食電流の関係を電気化学データηに反映させることで、電気化学データηをより現実に即したものにすることができる。

電位選定部３２は、水質データξ及び電気化学データηに基づいて腐食進行速度が低下する電位Ｖ^*を選定する。
具体的には、電位選定部３２は、まず水質データξ又はその変化に基づいて分極曲線を特定し、この分極曲線に基づいて腐食進行速度がより低くなる電位域Ωを選定する。

つまり、電位選定部３２は、図２の一例では、−０．５〜−０．３［VvsSSE］の電位域Ω内の電位Ｖ^*を選定する。
取得した水質データξ及び印加電位Ｖ^*は、適宜表示部３５に表示されて作業員に監視される。

電位調整部３４は、電位選定部３２で選定された電位Ｖ^*を炉心機器２８に印加する。
この電位調整部３４には、作用電極３６、参照電極３７、及び対極３８の３種類の電極を用いる三電極法を利用したポテンショスタット３４ａを用いるのが好ましい。
ポテンショスタット３４ａでは、参照電極３７に対する作用電極３６の電位が所望の設定値になるように、作用電極３６及び対極３８間の電圧が自動的に調節される。
以下、電位調整部３４にポテンショスタット３４ａを使用した例で説明する。

作用電極３６は、流入してくる電流を読み込むことで参照電極３７に対する電位、つまり腐食電圧Ｖ_fを測定するセンサ機能に加えて、印加電極機能も有する。
この作用電極３６には、ＳｉＣ電気センサのＡｇ／ＡｇＣｌ電極、Ｐｔ電極、ＺｒＯ_２隔膜を用いたＡｇ／Ａｇ_２Ｏ電極などが使用可能である。
また、参照電極３７及び対極３８には、Ａｇ／ＡｇＣｌ電極又はＺｒＯ_２隔膜を用いたＡｇ／Ａｇ_２Ｏ電極などが使用可能である。

ポテンショスタット３４ａ（３４）の本体は原子炉圧力容器１６の外部に設置され、電極（３６〜３９）が制御棒駆動機構ハウジング４０（図１）から炉心１３に挿入される。
炉心機器２８に電位印加用電極（作用電極）３６を設置することで、炉心機器２８に電位Ｖ^*を印加する。

図３はチャンネルボックス１２への電極（３６〜３９）の設置例を示す図、図４は燃料被覆管２７への電極（３６〜３９）の設置例を示す図である。
図３及び図４に示されるように、チャンネルボックス１２又は燃料被覆管２７に直接リード線３３を固定して、炉心機器２８に電位印加用電極であるとともにＳｉＣ電気化学センサである作用電極３６を取り付ける。

なお、チャンネルボックス１２の上部側では、炉水が蒸気に変化している可能性があるので、電極（３６〜３８）の設置位置は、液体状態にある温度３００℃以下の範囲となる中央部より下部側に取り付けるのが望ましい。
電極（３６〜３８）の設置数は、例えば炉心機器２８の上部、中央部、下部の３か所など、印加電位分布を考慮して２個以上であってもよい。

また、ポテンショスタット３４ａは、腐食の状況をより正確に把握するため、ＳｉＣの試料片で構成される試料極３９を備えることが望ましい。
なお、試料片には、ＳｉＣを繊維に浸透させたＳｉＣ複合材を用いてもよい。
このような試料極３９と参照電極３７との電位差に基づいて、試料極３９の腐食電圧Ｖ_fまたは腐食電流値を測定し、炉内の状況をオンラインでモニタリングする。

すなわち、試料極３９及び参照電極３７を、酸化還元電位を利用して状態を電気信号に変換するＳｉＣ電気化学センサとして用い、参照電極３７に対するチャンネルボックス１２と試料極３９との両者の腐食電位を測定する。
例えば両者の腐食電位に一定の差異がある場合、取得すべき腐食電圧Ｖ_fをこれらの腐食電位の加重平均とする等して精度向上のための処置をとることができる。

なお、試料極３９は、作用電極３６に代わって印加用電極としても利用することができる。
試料極３９を印加用電極にする場合も、一箇所あたりの印加できる範囲が狭い場合には複数箇所に設けてもよい。
また、試料極３９を用いることで実機の水質における分極曲線を取得することもできる。

次に、実施形態に係る原子力プラントの運転方法を図５のフローチャートを用いて説明する（図１を適宜参照）。

まず、水質検出部２９が、炉水または冷却水の温度、pH、溶存酸素濃度、溶存水素濃度、及び伝導率等の水質データξの検出をくり返し、監視する（Ｓ１１）。
この水質データξは、水質検出部２９から電位選定部３２に送られる。
電位選定部３２は、電気化学データ保持部３１を参照して水質データξをパラメータとして現時点での水質を反映させた分極曲線を特定する（Ｓ１２）。
そして、電位選定部３２は、この分極曲線からＳｉＣの腐食進行速度が低下する電位Ｖ^*を選定する（Ｓ１３）。

電位調整部３４は、例えばポテンショスタット３４ａを用いて、炉心機器２８の腐食電圧Ｖ_fを測定して（Ｓ１４）、電位選定部３２で選定された電位Ｖ^*を炉心機器２８に印加する（Ｓ１５）。
そして、運転制御が終了するまで繰り返し実行され（Ｓ１６でＮＯの場合）、運転が終了されることによって制御は終了する（Ｓ１６でＹＥＳの場合、）。

なお、以上の動作は、プログラムに沿ってコンピュータで実行してもよい。
例えば、電位制御部３０は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、或いはＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置、を具備するコンピュータとして構成することができる。

この場合、図１に示す各部のうち、電位選定部３２及び電位調整部３４の機能は、記憶装置に記憶された所定のプログラムをプロセッサが実行することによって実現することができる。
また、図１に示す構成のうち、電気化学データ保持部３１は、ＲＯＭまたはＲＡＭ等の記憶装置によって実現される。

また、このようなソフトウェア処理に代えて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integration Circuit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアで実現することもできる。
さらに、電位制御部３０は、ソフトウェア処理とハードウェアによる処理を組み合わせて実現することもできる。

以上のように、実施形態に係る運転システム１０によれば、水質データξを取得して炉心機器２８の電位を制御することで、炉心機器２８の腐食の進行を遅らせることができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。
この実施形態は、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、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。
実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１００…沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）、５…燃料集合体、１０…運転システム、１１…燃料棒、１２…チャンネルボックス、１３…炉心、１４…炉心シュラウド、１５…主蒸気配管、１６…原子炉圧力容器、１７…タービン、１８…復水器、１９…復水ポンプ、２０…給水配管、２１…復水浄化系、２２…給水ポンプ、２３…制御棒駆動機構、２４…下鏡部、２５…復水配管、２６…制御棒、２７…燃料被覆管、２８…炉心機器、２９…水質検出部、３０…電位制御部、３１…電気化学データ保持部、３２…電位選定部、３３…リード線、３４…電位調整部、３４ａ（３４）…ポテンショスタット、３５…表示部、３６…作用電極、３７…参照電極、３８…対極、３９…試料極、４０…制御棒駆動機構ハウジング、Ｖ^*…選定された電圧（印加電位）、Ｖ_f…腐食電圧、Ω…電位域、η…電気化学データ、ξ…水質データ。

Claims

ＳｉＣ複合材で構成される炉心機器に接触する炉水または冷却水の水質を監視する水質検出部と、
ＳｉＣまたはＳｉＣ複合材の電気化学データを保持する電気化学データ保持部と、
前記水質及び前記電気化学データに基づいて腐食進行速度が低下する電位を選定する電位選定部と、
選定された前記電位を前記炉心機器に印加する電位調整部と、を備えることを特徴とする原子力プラントの運転システム。
前記電位調整部は、ポテンショスタットを備える請求項１に記載の原子力プラントの運転システム。
前記ポテンショスタットは、
前記ＳｉＣ又は前記ＳｉＣ複合材と同一材質の試料片で構成される試料極を備える請求項２に記載の原子力プラントの運転システム。
ＳｉＣ複合材で構成される炉心機器に接触する炉水または冷却水の水質を監視するステップと、
ＳｉＣまたはＳｉＣ複合材の電気化学データを保持するステップと、
前記水質及び前記電気化学データに基づいて腐食進行速度が低下する電位を選定するステップと、
選定された前記電位を前記炉心機器に印加するステップと、を含むことを特徴とする原子力プラントの運転方法。
ＳｉＣ複合材で構成される炉心機器に接触する炉水または冷却水の水質を監視するステップ、
ＳｉＣまたはＳｉＣ複合材の電気化学データを保持するステップ、
前記水質及び前記電気化学データに基づいて腐食進行速度が低下する電位を選定するステップ、
選定された前記電位を前記炉心機器に印加するステップ、を実行することを特徴とする原子力プラントの運転プログラム。