JP2020073940A - 沸騰水炉用運転始動／運転停止水素注入システムおよびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 原子炉運転始動および／または運転停止の間に運転中の沸騰水炉（ＢＷＲ）原子炉支援システムの中に水素を注入して粒界応力腐食割れ（ＩＧＳＣＣ）を低減するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】システムは、運転始動モードおよび運転停止モードに亘って原子炉が循環するので、原子炉支援システムの変化する運転圧力に整合する可変圧力（比較的高い圧力を含む）の水素を供給することができる。【選択図】 図２

Description

例示の実施形態は、一般に原子力の沸騰水炉（ＢＷＲ）に関し、さらに詳細には原子炉運転始動および運転停止の期間中に原子炉支援システムの中に水素を注入するシステムおよびその方法に関する。このシステムは、運転始動モードおよび運転停止モードに亘って変化する支援システムの運転圧力に整合させるために可変圧力（約１１００ｐｓｉｇの高圧を含む）で水素を供給できる。

従来、水素水化学（ＨＷＣ）システム１（図１参照）が、凝縮液昇圧器ポンプの吸水管または給水ポンプの吸水管（注入点２参照）で沸騰水炉（ＢＷＲ）の給水システムに水素を注入する。これらの位置で水素を注入することによって、再循環配管および原子炉内部における粒界応力腐食割れ（ＩＧＳＣＣ）の低減を促進する。具体的には、水素を注入すると、原子炉のコア部分の水素および酸素の放射性分解性の純生産量が下がって溶解酸素が低減する。

従来のＨＷＣシステム１は、水素の液体貯蔵タンク（圧縮器および蒸発器付き）またはボトルであり得る水素源４を有する。また、水素源は電解生成されてもよい。水素が、一連のバルブを貫流する前に、水素フィルタ６で濾過されてもよく、該一連のバルブには、圧力制御弁８、過流逆止弁１１、遮断弁１０、および逃し弁１２がある。従来の水素注入点２に水素が排出される水素注入モジュール１６に入る前に、水素が空気作動式制御弁１４を用いて隔離されてもよい。システム１全体で保守および安全目的にパージ連結７０が一般に用いられる。

従来の水素注入点２は、凝縮液昇圧器ポンプの吸水管（８５〜１６０ｐｓｉｇ）および給水ポンプの吸水管（４００〜６５０ｐｓｉｇ）などの（原子炉に対して）低圧系に位置する注入点である。これら低圧系のポンプは完全な原子炉運転始動または運転停止（原子炉ＳＣＲＡＭなどの緊急な原子炉運転停止を含む）の最中に稼働しないので、水素は、したがって運転始動および運転停止中にこれら従来の位置で注入されず、そのため再循環配管および／または原子炉内部へ効率的な輸送の水素溶解がされない。ＩＧＳＣＣの腐食が低動作温度（原子炉運転始動中、約２００〜４５０°Ｆ／約５％出力までの昇温）でさらに優勢になるので、運転始動モードおよび運転停止モード中の原子炉（および原子炉支援システム）の危険性がより高まり、その結果、原子炉運転始動モードおよび運転停止モード中に従来の注入点２へ水素を注入できなくなることによって引き起こされる影響は甚大である。

特開昭５４−１２６８９４号公報

例示の実施形態は、原子炉運転始動および運転停止の期間中に水素をＢＷＲ原子炉支援システムに注入する運転始動／運転停止水素注入システム（およびそれに係る方法）を提供する。

原子炉が運転始動モードおよび運転停止モードを循環するため、非常に大きな温度および圧力の変化（原子炉昇温およびクールダウンの結果として）を原子炉（および原子炉支援システム）が受けるので、水素注入システムが、これら支援システムの何れの期間での運転圧力にも整合し得る可変圧力の水素を供給する。水素注入システムが潜在的に高圧でも運転される原子炉支援システムに水素を供給するので、水素注入システムが水素圧力を従来のＨＷＣシステムに標準的に関連する圧力レベル以上に昇圧してもよい。

例示の実施形態における上記および他の特徴および有利な点は、添付の図面を参照して例示の実施形態を詳細に説明することでさらに明らかになるであろう。添付の図面は例示の実施形態を説明するものであって、意図した特許請求の範囲を限定するものと解釈されない。添付の図面は、そうと明示しないかぎり正確な縮尺図として解釈されない。

従来の水素水化学（ＨＷＣ）システムの配管計装（Ｐ＆ＩＤ）図である。 例示の実施形態に係る運転始動／運転停止水素注入システムのＰ＆ＩＤ図である。 例示の実施形態に係る運転始動／運転停止水素注入システムの製造および使用の方法のフローチャートである。

ここに例示の実施形態を詳細に開示する。しかしながら、ここに開示する特定の構造お
よび機能の詳細は例示の実施形態を説明する目的のための代表例に過ぎない。さらに、例示の実施形態は様々な代替の形態で実施してもよいし、単にここで説明する実施形態に限定するものと解釈されない。

したがって、例示の実施形態が様々な変形および代替の形態が可能であるが、これらの実施形態を図面における例示を通して示し本明細書で詳細に説明する。しかしながら、開示される特定の形態に例示の実施形態を限定する意図はなく、反対に、例示の実施形態の範囲内にある全ての変形、等価、および代替を例示の実施形態が含むものと解釈される。図の説明全体に亘って類似の番号は類似の構成要素を指す。

様々な構成要素を説明するために第１、第２などの用語が本明細書で用いられるが、これら構成要素がこれらの用語に限定されるものでないことは理解されよう。これら用語は、１つの構成要素を別の構成要素から区別するために用いられるに過ぎない。たとえば、例示の実施形態の範囲から乖離しない範囲で、第１の構成要素が第２の構成要素と付されてもよいし、同様に第２の構成要素が第１の構成要素と付されてもよい。「および／または」の用語が、本明細書で用いられるように、１つまたは複数の関連の列記する品目の何れかおよび全ての組み合わせを含む。

構成要素が別の構成要素に「接続される」または「連結される」と表現される場合、該構成要素が他の構成要素に直接に接続もしくは連結されてもよく、または仲介の構成要素が存在してもよいことは理解されよう。対照的に、別の構成要素に「直接に接続される」または「直接に連結される」と表現された場合、仲介の構成要素は存在しない。構成要素間の関係を説明するために使用される他の言葉も同様に解されるべきである（たとえば、「その間に」対「直接にその間に」、「隣接する」対「直接に隣接する」など）。

本明細書で用いられる用語法は特定の実施形態を説明することだけを目的とするものであり、例示の実施形態を限定するものでない。内容がそうでないことを明示しないかぎり、本明細書で用いられるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は複数形も含むものとする。さらに、用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、本明細書で用いられる場合、表した特徴、整数、ステップ、動作、構成要素、および／または部品の存在を特定するが、１つまたは複数の他の機能、整数、ステップ、動作、構成要素、部品、および／またはこれらの群の存在または追加を排除するものでないことが理解されよう。

また、代替の実施において、記載の機能／動作が図に記述された順でなく発生する場合があることが理解される。たとえば、連続して示す２つの図が、関連した機能／動作に従って、実質的に同時に実際に実施されてもよいし、時には反対の順で実行されてもよい。

図２は、例示の実施形態に係る運転始動／運転停止水素注入システム３０のＰ＆ＩＤ図である。システムが１つまたは複数の水素源を有する。たとえば、任意の専用水素ガス源３２が水素注入システム３０に設けられてもよい。専用水素ガス源３２が小さい水素ガスボトル、水素ガストラック、または水素収容の液体貯蔵であってもよい。専用水素ガス源３２の代替として（または、専用水素ガス源３２に加えて）、既存のＨＷＣシステム１に接続することができる連結２０が設けられてもよい（たとえば、ＨＷＣシステム１に空気作動式バルブ１４の上流か下流で、およびプラント壁の内側または外側で接続され得る図１の任意の連結点２０参照）。

既存のＨＷＣシステム１と運転始動／運転停止水素注入システム３０との間の連結２０が水素を供給するのに用いられる場合、流量制御装置が連結２０に設けられてもよい。たとえば、圧力制御弁３４、圧力トランスミッタ３６、局所流れ表示器３８、流れ制御弁４
０、および空気作動式弁４２が連結管路２０に設けられて、既存のＨＷＣシステム１から運転始動／運転停止水素注入システム３０の中に流入する水素流量および圧力を制御してもよい。また、遮断弁４４が設けられて、水素注入システム３０への水素流を遮断してもよい。

既存のＨＷＣシステム１と運転始動／運転停止水素注入システム３０との間の連結を用いるどうか、または水素注入システム３０用に専用水素ガス源３２を用いるかどうかに関わらず、水素フィルタ４６が設けられて、何れの水素の加圧の前に水素ガスを濾過してもよい。

水素注入システム３０が、水素注入点５０へ注入される水素の圧力を大きく昇圧することができる水素ガス昇圧器４８をさらに有してもよい。水素ガス昇圧器４８が油圧または空気駆動（空気式）でよく、また約０ｐｓｉｇ〜約１１００ｐｓｉｇの広い圧力範囲の何れかの水素圧力まで昇圧可能であってもよい。水素ガス昇圧器４８を設けることで、水素注入システム３０が原子炉運転始動および／または運転停止状態中に炉水流を受ける原子炉支援システム（炉水の酸素濃度が比較的高いとき約１１００ｐｓｉｇの潜在的に高い運転圧力および約２００°Ｆ程度の動作温度）に水素を供給することができる（原子炉「運転停止」には原子炉緊急停止、昇温／スタンバイ、および／または昇温／運転停止モードが含まれる）。水素注入点５０には、たとえば、ＢＷＲの炉水浄化（ＲＷＣＵ）戻り管路または給水再循環管路などの原子炉支援システムにおける注入点が含まれてもよい。これら原子炉支援システム例が原子炉運転始動および／または運転停止中に炉水流を受け、また、原子炉が運転始動および／または運転停止を循環するためにこれらシステムが広い範囲の圧力を受けるので、これらの例示の到達点に適切な水素圧力に上げるのに水素ガス昇圧器４８が特に頻繁に設けられる。

水素ガス昇圧器４８が流れ制御機構（圧力制御弁３４、圧力トランスミッタ３６、流れ表示器３８、流れ制御弁４０および空気作動式弁４２の何れか１つを含む）の下流に配置され、そうすることで、流れ制御装置が低圧クラス（よってより廉価）で済む。水素ガス昇圧器４８が、プラントサービスエア５６連結を介して空気圧で動作してもよい。圧力制御弁５８が用いられて、水素ガス昇圧器４８に入るサービスエアの圧力を制御してもよい。空気フィルタが用いられて、入口空気を濾過してもよい。サービスエア遮断弁６２ａ／６２ｂが、空気入口管路に設けられて、空気入口管路を閉じてもよい（たとえば水素ガス昇圧器４８の点検のため）。水素ガス昇圧器４８が、空気流れ制御弁７２を有して、昇圧器への空気流をスロットルで調整し、昇圧器４８からの水素圧力を実質的に上げてもよい。流れ制御弁７２が、自動または手動で制御されてもよい。

追加のフレキシビリティのためにシステム遮断弁５４ａ〜５４ｇが多く設けられて、システム３０の所望部分を流れる水素流を管理してもよい。たとえば、比較的低圧を必要とするシステムへ水素が注入される際には、水素ガス昇圧器４８は不要としてもよい。そのような状況では、従来の水素源４（図１）が用いられて水素を注入点５０に供給する場合、遮断弁５４ｃ、５４ｅ、および５４ｆを閉じて、一方で遮断弁５４ｄおよび５４ｇを開くことができる。別法では、専用水素ガス源３２が用いられて、遮断弁５４ｂ、５４ｅ、および５４ｆを閉じ（水素ガス昇圧器４８をバイパスし）、遮断弁５４ａ、５４ｃ、５４ｄ、および５４ｇを開くことによって、低圧水素を注入点５０の水素に供給してもよい。

より高圧な水素の供給が求められる場合、遮断弁５４ｂを開き、それによって（開いた遮断弁５４ｃ経由の）水素源４、または（開いた遮断弁５４ａ経由の）水素源３２からの水素を水素ガス昇圧器４８へ入れることができる。水素ガス昇圧器４８を出た水素は、遮断弁５４ｅ、５４ｆおよび５４ｇを経由して水素注入点５０へ向かうことができる。

局所圧力表示器６４ａ〜６４ｃが設けられて、システム内の水素および／またはサービスエアの運転圧力を確認してもよい。特に、高圧水素注入点５０の場合、逆止弁６６を水素注入管路５０に設けて、高圧システムからの流体が水素注入システムへ逆流しないことを確実にしてもよい。

運転始動／運転停止水素注入システム３０が便宜上２つの分離のスキッド３０ａ／３０ｂに設けられてよく、その場合、比較的低圧力水素装置が主に１つのスキッド３０ａに設けられ、比較的高圧力水素装置が主に別のスキッド３０ｂに設けられる。

安全逃し弁６８が水素ガス昇圧器４８に設けられて、水素ガス昇圧器４８が過加圧になり得るときに水素を（通気管路５２へ）逃してもよい。また、システム３０全体に保守および安全目的のためにパージ連結７０が設けられてもよい。

図３は、例示の実施形態に係る運転始動／運転停止水素注入システム３０を製造する、およびそれを使用する方法のフローチャートである。方法には、少なくとも１つの水素源を、原子炉運転始動および／または運転停止の期間中に運転中のＢＷＲ原子炉支援システムへ流体的に接続するステップＳ８０が含まれ得る。これは、たとえば、水素源とＢＷＲ原子炉支援システムとの間に配管またはチュービングすることで達成される。運転始動および／または運転停止中に「動作中」とされる支援システムとは、原子炉が始動および停止する期間中にシステム全体に炉水流動を供給するシステムに関することであることが理解されよう（これによって、注入される水素に輸送媒体が提供され、次いで運転始動モードおよび／または運転停止モード中に再循環配管および／または原子炉内部へ輸送される）。

方法には、水素流を、少なくとも１つの水素源から原子炉支援システムへ向けるステップＳ８２がさらに含まれ得る。これは、たとえば、水素源と原子炉支援システムの間に位置する配管／チュービングの弁連結を開くことで達成され得る。弁を開くのはＰＬＣ６０（図２参照）などのコントローラを介して達成され得る。

方法には、少なくとも１つの水素源から原子炉支援システムへの水素流の圧力を、原子炉支援システムの運転圧力に基づいて調節するステップＳ８４が含まれ得る。具体的には、原子炉が運転始動モードおよび／または運転停止モードを循環する間に運転圧力が変化し得るという了解の下、水素流の圧力が原子炉支援システムの運転圧力と整合するように調節され得る。水素流の圧力の調節がＰＬＣ６０（図２参照）などのコントローラを介して達成され、水素注入点５０に向かう水素の圧力を調節するために、水素注入点５０での測定圧力を（たとえば）圧力トランスミッタ３６または圧力表示器６４ｃでの測定圧力と比較する。

水素注入システム１がプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）および／またはデータ取得システム６０を備えることができ、（所要の注入点５０の圧力の測定に基づいて）水素を注入点５０へ供給するための速度および圧力を決定するのに用いられてもよい。したがって、ＰＬＣおよび／またはデータ取得システム６０が、低圧および高圧のスキッド３０ａ／３０ｂ両方に示される制御ハードウェアに接続されてもよい（図２に示す連結が全てとは限らない）。また、ＰＬＣおよび／またはデータ取得システム６０が、水素注入システム３０内の水素ガス昇圧器４８および任意のシステムバルブを制御してもよい。

以上のように例示の実施形態を説明したが、同様のものが多様に変わり得るのは明らかである。そのような変形は例示の実施形態の意図した精神および範囲から逸脱するものと解釈されないし、当業者に明白であるそのような全ての修正は次の特許請求の範囲内に含
まれることが意図される。

１ 水素水化学（ＨＷＣ）システム
２０ 連結
３０ 水素注入システム
３０ａ／３０ｂ スキッド
３２ 水素源、水素ガス源
３４ 圧力制御弁
３６ 圧力トランスミッタ
３８ 流れ表示器
４０ 流れ制御弁
４２ 空気作動式弁
４４ 遮断弁
４６ 水素フィルタ
４８ 水素ガス昇圧器
５０ 水素注入点
５４ａ〜５４ｇ 遮断弁
５６ サービスエア
６０ プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）
６２ａ／６２ｂ サービスエア遮断弁
６４ａ〜６４ｃ 圧力表示器
６６ 逆止弁
６８ 安全逃し弁
７０ パージ連結
７２ 流れ制御弁

Claims (21)

1. 粒界応力腐食割れ（ＩＧＳＣＣ）を軽減するために沸騰水炉（ＢＷＲ）支援システムに水素を注入する方法であって、
   少なくとも１つの水素源を、原子炉運転始動モード、原子炉運転停止モード、または前記原子炉運転始動モードおよび前記原子炉運転停止モードの両者中に運転中であるとともに炉水流動を受ける前記ＢＷＲ支援システムに、前記前記原子炉運転始動モード、前記原子炉運転停止モード、並びに前記原子炉運転始動モードおよび前記原子炉運転停止モードの両者のうちの少なくとも１つの期間中に流体的に接続する工程と、
   前記少なくとも１つの水素源から前記ＢＷＲ支援システムへ水素流を向ける工程と、
   前記ＢＷＲ支援システムの運転圧力に基づいて前記ＢＷＲ支援システムに対する前記水素流の圧力を調節する工程と、を含み、
   前記水素流の前記圧力を調節する工程は、
   前記少なくとも１つの水素源と前記ＢＷＲ支援システムとの間に設けられるインライン水素昇圧器を使用して前記水素流の前記圧力を昇圧するように前記水素流を圧縮する工程と、
   前記インライン水素昇圧器において前記水素流の第１の圧力を、また、前記ＢＷＲ支援システムに対する水素注入点において前記水素流の第２の圧力を測定する工程と、
   前記第１の圧力および前記第２の圧力に基づき自動流れ制御機構の使用を介して、前記インライン水素昇圧器を通して前記ＢＷＲ支援システムに向かって流れる前記水素流の流量を自動的に制御する工程とを含む、方法。
2. 前記ＢＷＲ支援システムが、炉水浄化（ＲＷＣＵ）戻り管路および給水再循環管路のうちの１つである、請求項１に記載の方法。
3. 前記水素流の圧力を調節する前記工程は、前記ＢＷＲ支援システムに対する前記水素注入点における前記水素流の圧力を、前記原子炉運転始動モード、前記原子炉運転停止モード、または前記原子炉運転始動モードおよび前記原子炉運転停止モードの両者中に変化する前記ＢＷＲ支援システムの運転圧力に整合させる工程を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記インライン水素昇圧器が油圧駆動の昇圧器および空気圧駆動の昇圧器のうちの１つである、請求項１に記載の方法。
5. 前記インライン水素昇圧器が前記水素流の圧力を７．５８ＭＰａＧまでの可変圧力に昇圧するように構成される、請求項４に記載の方法。
6. 前記自動流れ制御機構が前記インライン水素昇圧器よりも低圧クラスである、請求項１に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの水素源が、水素ガスボトル、水素ガストラック、および液体水素貯蔵構造体のうちの１つである、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
8. 前記ＢＷＲ支援システムが、前記原子炉運転始動モード、前記原子炉運転停止モード、または、前記原子炉運転始動モードおよび前記原子炉運転停止モードの両者中に、９３°Ｃの低さの流体運転温度および７．５８ＭＰａＧの高さの流体運転圧力を受ける、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
9. 前記自動流れ制御機構は、少なくとも１つの空気作動弁を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記インライン水素昇圧器における前記水素流の前記第１の圧力を測定する前記工程は、前記インライン水素昇圧器の直前および前記インライン水素昇圧器の直後のうちの少なくともいずれかの位置で前記第１の圧力を測定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記第１の圧力を前記第２の圧力と比較する工程をさらに含み、
    前記水素流の前記流量を自動的に制御する前記工程は、前記第１の圧力を前記第２の圧力と比較する工程にさらに基づく、請求項１に記載の方法。
12. ＢＷＲ支援システムに流体的に接続され、少なくとも１つの水素源、流れ制御装置、圧力制御装置を備えた水素注入システムを備え、
    前記ＢＷＲ支援システムが原子炉運転始動モード、原子炉運転停止モード、または、前記原子炉運転始動モードおよび前記原子炉運転停止モードの両者中に運転されるとともに炉水流動を受けるシステムであり、
    前記圧力制御装置が、前記少なくとも１つの水素源と前記ＢＷＲ支援システムとの間の水素流の圧力を前記ＢＷＲ支援システムの運転圧力に基づいて調節するように構成され、
    前記圧力制御装置が、
    前記少なくとも１つの水素源と前記ＢＷＲ支援システムとの間に設けられるインライン水素昇圧器を使用して前記水素流の前記圧力を昇圧するように前記水素流を圧縮し、
    前記インライン水素昇圧器において前記水素流の第１の圧力を、また、前記ＢＷＲ支援システムに対する水素注入点において前記水素流の第２の圧力を測定し、
    前記第１の圧力および前記第２の圧力に基づき自動流れ制御機構の使用を介して、前記インライン水素昇圧器を通して前記ＢＷＲ支援システムに向かって流れる前記水素流の流量を自動的に制御することによって、前記水素流の前記圧力を調節する、システム。
13. 前記ＢＷＲ支援システムが、炉水浄化（ＲＷＣＵ）戻り管路および給水再循環管路のうちの１つである、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記圧力制御装置が、前記水素流の圧力を前記ＢＷＲ支援システムの運転圧力に整合させるようにさらに構成され、前記ＢＷＲ支援システムの運転圧力が前記原子炉運転始動モード、前記原子炉運転停止モード、または、前記原子炉運転始動モードおよび前記原子炉運転停止モードの両者中に可変である、請求項１２または１３に記載のシステム。
15. 前記水素注入システムが、前記水素流の圧力を昇圧するように構成されたインライン水素昇圧器をさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記インライン水素昇圧器が油圧駆動の昇圧器および空気圧駆動の昇圧器のうちの１つである、請求項１２に記載のシステム。
17. 前記インライン水素昇圧器が前記水素流の圧力を７．５８ＭＰａＧまでの可変圧力に昇圧するように構成される、請求項１５または１６に記載のシステム。
18. 前記流れ制御装置が、前記インライン水素昇圧器の上流に位置する、請求項１５から１７のいずれかに記載のシステム。
19. 前記流れ制御装置が前記インライン水素昇圧器よりも低圧クラスである、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記水素源が、水素ガスボトル、水素ガストラック、および液体水素貯蔵構造体のうちの１つである、請求項１２から１９のいずれかに記載のシステム。
21. 前記ＢＷＲ支援システムが、前記原子炉運転始動モード、前記原子炉運転停止モード、または、前記原子炉運転始動モードおよび前記原子炉運転停止モードの両者中に、９３°Ｃの低さの流体運転温度および７．５８ＭＰａＧの高さの流体運転圧力を受ける、請求項１２から２０のいずれかに記載のシステム。

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