JP4167920B2

JP4167920B2 - 化学除染方法

Info

Publication number: JP4167920B2
Application number: JP2003090639A
Authority: JP
Inventors: 井洋美青; 見一郎稲; 間裕閏; 神元順仲; 児和広可
Original assignee: Toshiba Corp; Chubu Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Chubu Electric Power Co Inc
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004294393A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子力発電所において被ばく低減、材料健全性維持を目的とする一次冷却水系機器、配管表面への化学除染方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は、沸騰水型原子炉の一次冷却水系の概略構成を示す図であり、原子炉圧力容器１内には炉心２が配設されており、上記原子炉圧力容器１内で発生した蒸気は主蒸気管３を経て図示しない蒸気タービンに送られる。蒸気タービンに送給されそこで仕事を行った蒸気は復水器で復水された後、給水管４を経て原子炉圧力容器１内に環流される。上記原子炉圧力容器１には、炉心２に冷却材を強制的に送り込むために原子炉冷却材再循環系５が設けられている。すなわち、上記炉心２を取り囲むように配設された炉心シュラウド（図示せず）と原子炉圧力容器１との間の環状部内にジェットポンプ６が設けられており、原子炉圧力容器１内から取り出され再循環ポンプ７により昇圧された冷却材を、ジェットポンプ６のノズルから高速で噴出させ、この高速噴出流体により冷却材を炉心２の下部に強制的に送り込むようにしてある。
【０００３】
上記原子炉冷却材再循環系５には、再循環ポンプ７の吸込み側から残留熱除去系８が分岐され、さらに上記残留熱除去系８から炉水浄化系９が分岐されている。上記残留熱除去系８に導出された冷却材は熱交換器１０において冷却された後原子炉冷却材再循環系５等に環流され、また炉水浄化系９に導出された冷却材は熱交換器１１及び濾過脱塩器１２等を経て浄化された後、給水管４において給水中に混合される。
【０００４】
ところで、上記原子炉冷却材再循環系５等を含む一次冷却水系においては、特に上述のように原子炉圧力容器１内の炉水が循環するので、一次冷却水系機器、配管表面等の酸化皮膜中には炉水中における放射能が取り込まれ、これが被ばく線源となることがある。そこで、この酸化被膜を化学除染を行うことにより取り除き、機器点検や工事時における被ばくを低減することが行われている。しかし、除染後に露出した金属表面が再び放射能を含む高温水にさらされると、その金属表面に新たな放射能を取り込んだ酸化被膜が生成される。
【０００５】
金属面への放射能付着を抑制するには、予め電解研磨（例えば特許文献１参照）や表面酸化処理した配管（例えば特許文献２参照）を用いるような方策がとられている。
【０００６】
また、化学除染後に除染液中に過酸化水素等の酸化剤を添加して表面に酸化被膜を生成させ放射能再付着を抑制することも提案されている（例えば特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−６２３８４号公報
【特許文献２】
特開平９−４３３９３号公報
【特許文献３】
特開２０００−１２１７９１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前もって電解研磨を行ったり前酸化処理を施すには一旦据え付けられた機器、配管に対しては適用が難しい。また、除染液中に酸化剤を添加する方法も供用中の機器、配管に対しては材料健全性上、濃度が制約されるため効果が期待できない上、余計な付帯設備や薬品類を必要とする場合が多い。
【０００９】
本発明は、このような点に鑑み、化学除染設備のみを用いて据え付け機器、配管の材料健全性を維持しつつ化学除染後、数サイクル（運転サイクル）に渡り放射能付着抑制効果が持続する化学除染方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、原子力発電プラントの機器、配管に付着した放射能を酸化と還元を交互に繰り返すことにより化学的に除去する除染方法において、
化学除染の最終の工程を酸化工程とするとともに、
前記最終酸化工程において、酸化性気体を処理対象配管内に流通させて処理対象表面に常時流れが生ずるようにし、
かつ前記最終酸化工程において処理対象配管内に酸化性気体を注入するとともに、処理対象配管内に注入された水を加熱して飽和水蒸気を生成させ、
さらに処理対象配管内の飽和水蒸気を冷却して凝結させ、処理対象面に濡れ面を形成して、酸化性気体を溶かし込んだ水が処理対象表面に接触するようにしたことを特徴とする
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、化学除染対象表面が鉄酸化物で覆われている場合には、前記化学除染をまず還元工程から始め、次いで酸化工程、還元工程を繰り返した後、前記最終酸化工程を実施することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、化学除染対象表面がクロム含有量が多い酸化被膜で覆われている場合には、前記化学除染をまず酸化工程から始め、次いで還元工程を行いこのサイクルを繰り返した後、前記最終酸化工程を実施することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記最終酸化工程は、原子力発電プラントの機器、配管における炭素鋼配管部分だけを隔離し、その炭素鋼配管部分のみに実施することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに係る発明において、前記最終酸化工程において、酸化性気体を処理対象配管内に流通させ、処理対象表面に常時流れが生ずるようにしたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照して本発明の前提となる各参考例および本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
第１参考例
図１は、特に本発明の化学除染の対象部となる原子炉冷却材再循環系５及び残留熱除去系８等を示す図であり、沸騰水型原子炉のこのような一次冷却水系における機器、配管に対する除染を行う場合には、上記除染対象部である原子炉冷却材再循環系５、残留熱除去系８及び炉水浄化系９内に水張りを行い昇温した後、シュウ酸等の還元剤を注入し、その酸化剤により除染対象部の上層の鉄酸化物を還元溶解して還元除染を行い、次いで還元剤を分解する。
次にクロム酸化物を溶解するための酸化剤による酸化工程を行った後、そのまま還元工程に移行する。
これにより酸化剤は過剰の還元剤により分解されて水張り昇温直後と同じ還元工程となる。
この酸化、還元工程をさらに繰り返し、配管内表面等の酸化被膜を除去する。
このようにして化学除染が十分に行われてステンレス鋼金属面が露出した状態となったら、上記除染対象部内の水を抜いた後、オゾン発生器等の酸化性気体供給源２０から供給される例えばオゾンや酸素等の酸化性気体を、仮設循環ポンプ２１により残留熱除去系８の戻り弁２２及びライザ管ノズル部２３から原子炉冷却材再循環系５内に送給し、炉水浄化系入口弁２４、炉水浄化系ボトムドレンライン入口弁２５、及び残留熱除去系入口弁２６等から排出し、上記除染対象部に対する酸化性気体による酸化工程を１回だけ実施する。
その後、酸化剤分解、廃液浄化、及び水のドレンを行う。図２にそのフローチャートを示す。
【００１８】
しかして、この一連の化学除染工程により、除染後の沸騰水型原子炉の一次冷却水系の弁、ポンプ機器、配管の接液部表面全体が酸化され、安定な酸化皮膜が形成される。
【００１９】
第２参考例
図３は、加圧水型原子炉一次冷却水系機器、配管に対する除染シーケンスのフローチャートである。沸騰水型原子炉の一次冷却水系機器、配管は通常の運転状態において酸化雰囲気であるが、加圧水型原子炉の一次冷却水系機器、配管は通常の運転状態において還元雰囲気であり、加圧水型原子力プラントのように一次系構成材料がニッケル基合金とステンレスの鋼の場合、クロム含有量の多い酸化被膜が化学除染対象表面を覆っている。そこで、昇温後、まずクロム酸化物を溶解するための酸化剤による酸化工程を行い、酸化終了後シュウ酸などの還元剤を注入する。これにより酸化剤は過剰の還元剤により分解されそのまま還元工程に移行する。還元剤による鉄酸化物の酸溶解、還元溶解後、還元剤を分解する。この酸化、還元工程をさらに繰り返し、配管内表面の酸化被膜を除去する。化学除染が十分に行われステンレス鋼金属面が露出した状態となる。この状態で沸騰水型原子炉の一次冷却水系の場合と同様にさらに酸化工程を１回実施する。
【００２０】
しかして、この場合にも上記一連の化学除染工程により除染後の一次系弁、ポンプ等機器、配管のステンレス鋼やニッケル基合金表面全体が酸化され、安定な酸化被膜が形成される。
【００２１】
第３参考例
図４は、沸騰水型原子炉の冷却材再循環系５から分岐した炭素鋼配管である残留熱除去系８の配管および炉水浄化系９の配管に対してのみ処理を行うようにしたものである。すなわち、原子炉冷却水再循環系５における再循環ポンプ７の入口垂直配管より取り合いノズルプラグ２７を残留熱除去系８の炭素鋼配管分岐部に挿入し、その取り合いノズルプラグ２７の端部を仮設循環ポンプ２１に接続する。また、残留熱除去系８の戻り配管には第一止め弁に片側閉止プラグ２８を取り付け、仮設循環ポンプ２１と接続する。一方、炉水浄化系入口弁２４、炉水浄化系ボトムドレンライン入口弁２５、及び残留熱除去系入口弁２６に酸化性気体供給源２０を接続し、これにより酸化性気体供給源２０から酸化性気体を、残留熱除去系８および炉水浄化系９の炭素鋼配管に対して流通させ、残留熱除去系および炉水浄化系の応力腐食割れのない炭素鋼配管部分のみの最終酸化処理を実施する。
【００２２】
また、この循環ループ構成によって原子炉再循環系ステンレス配管の化学除染時流路が阻害されることは図から明らかであるが、原子炉再循環ポンプ入口垂直配管からの取り合い部でステンレス鋼の原子炉再循環系配管、弁、ポンプからの取り合いノズルと本発明の分岐部ノズルプラグの取り合いとを両方取り出すようにあらかじめ施工しておくことで、一連の化学除染工程の途中での配管工事が不要となる。
【００２３】
この最終酸化処理においては、１８０℃以上に炭素鋼表面を加熱した乾燥条件下という、ステンレス鋼では応力腐食割れに対する健全性の確認を要する酸化条件で酸化処理を行うことにより、炭素鋼表面のみに腐食抑制に有効な酸化被膜を短時間で生成することができる。
【００２４】
図５は、これらの処理における酸化皮膜量の変化を示している。すなわち、図５から判るように、１８０℃空気酸化処理、または１８０℃オゾンガス処理を５時間施すことにより酸化皮膜を形成した場合、その後の浸漬時における酸化皮膜の成長量は、いずれも空気酸化処理やオゾンガス処理を行わない未処理の場合より下回っており、予備的な酸化皮膜を付与することによって供用時における腐食を抑制することができることを示している。この場合、腐食抑制に有効な酸化皮膜は放射能の付着抑制に有効であることと同義である。また、この処理を乾燥状態で行うと一層効果的であることはあきらかである。なお、この酸化処理時におけるオゾンガス濃度は１ｖｏｌ％であった。
【００２５】
さらに酸化処理温度を高くした場合の放射能付着量を図６に示す。６００℃までは未処理の場合より放射能付着量相対値が下回っており、６００℃までは放射能付着抑制効果があることを確認できた。酸化処理温度としては４００℃が最も放射能付着抑制効果が高いが、１８０℃から６００℃までの酸化処理温度で放射能付着抑制効果を得ることができる。
【００２６】
第４参考例
次に図７は、原子炉冷却材再循環系５の化学除染方法を示す図であり、残留熱除去系８の入口部フランジ２９と出口部フランジ３０とをそれぞれ閉じるとともに、酸化性気体供給源２０から酸化性気体、例えばオゾン、酸素などが再循環系入口ノズル３１、及び再循環ポンプ７の前後の除染座３２、３３から原子炉冷却材再循環系５内に導入され、均一性が維持されており、酸化性気体注入ライン３８中の酸化性気体はライザ管ノズル部３４を経て、クーラ３５で除湿され分解器３６を経て仮設循環ポンプ３７を介して排気される。通常、化学除染系統は水やシュウ酸等の化学薬品または浄化された水で水封されている。化学除染の最終酸化工程において、上記酸化性気体の導入により再循環系配管、弁ポンプのステンレス鋼表面全体が酸化され、安定な酸化皮膜が形成される。しかも、仮設循環ポンプ２１において連続的に処理対象表面上に上記酸化性気体を注入することにより常時流れを生ずることで安定した高濃度の酸化性気体の供給が可能となる酸化被膜を形成するのに酸化性気体としてオゾンを使用する場合、純水中に溶解する濃度は溶液の温度に依存し、気液平衡状態にある飽和溶解オゾン濃度を算出する式として、
【数１】

ここで、ＣＬ：飽和イオン濃度
Ｃｇ：送気ガス中のオゾン濃度
の式が提唱されている。（１）式に基づいた気相オゾン濃度と平衡にある液相中オゾン濃度との関係の例を図８に示す。図８に示すように例えば気相オゾン濃度が１００ｍｇ／Ｌの場合、液相中のオゾン濃度は、
２５℃：２５．６ｐｐｍ
４０℃：１９．７ｐｐｍ
５０℃：１７．２ｐｐｍ
６０℃：１５．４ｐｐｍ
７０℃：１４．０ｐｐｍ
８０℃：１２．９ｐｐｍ
となっており低温ほどオゾンは溶解しやすい。しかし酸化膜形成は温度が高いほど効果的である。この相反する条件の最適範囲として液相温度は２５℃〜８０℃が好ましい。
【００２７】
また、図７に示す化学除染後の最終工程において、弁のドレンライン等を用いて系統内の水抜きを行い系統内を気体雰囲気とする。その後、オゾンや酸素の酸化性気体を２５℃〜８０℃の系統内に供給すると、系統内のステンレス鋼や炭素鋼の表面に残存している水にオゾンが溶解し、ステンレス鋼や炭素鋼の表面に酸化被膜が形成される。
【００２８】
また、酸化性気体、特にオゾンは自己分解するため濃度を維持することが困難である。この実施の形態では、図７に示すように複数の部分より酸化性気体を供給しているので、系統内全体で酸化性気体の濃度を均一に維持することができ、系統内全体で均一な酸化被膜の形成を行うことができる。
【００２９】
図９は、上記酸化処理によりステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の表面に酸化被膜を設けたものと酸化被膜を設けないものとの放射能付着量の違いを示す図であり、通常炉水中に暴露した場合、酸化被膜を設けたものにおいては放射能付着量が大幅に少なくなっていることがわかる。
【００３０】
そこで、さらに酸化処理によってステンレス鋼や炭素鋼に付与した酸化皮膜が放射能の付着に対して有効に機能することを確認するために放射能付着試験をおこなった。試験材としてステンレス鋼ではオーステナイト系ステンレス３１６鋼を、炭素鋼としてＳＴＳ４１０を選択した。
【００３１】
ステンレス鋼に対しては酸化性気体を注入するノズルとこれを排気するノズルとを設けた金属容器（容積２００ミリリットル）内に短冊状（２０ｍｍ×５０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）の試験体を装荷し、容器を外部ヒータで加熱して温度を８０℃に保持した。試験ではまず、注入ノズルから乾燥窒素ガスを吹き込み、容器内の空気を置換した後、酸化性気体として約１０ｖｏｌ％（残り酸素ガス）のオゾンガスを毎分１０ミリリットルで供給した。処理時間は２時間とした。炭素鋼の酸化処理も同じ装置、同条件、同形状の試験片を用いて行い、相違点は設定温度を１８０℃にしたことのみである。
【００３２】
これら酸化処理を施した試験体をオートクレーブ内に装荷し、２８５℃、８Ｍｐａの高温高圧水を通水させた。供給水中には放射能としてＣｏ−６０を０．０２Ｂｑ／ミリリットルの濃度で含有させ溶存酸素２００ｐｐｂ、溶存水素１０ｐｐｂで５００時間の放射能付着試験を行った。試験終了後、各試験体に付着した放射能量を未処理材と比較した表が図１０である。ステンレス鋼においては未処理材の約６０％、炭素鋼においては約４０％の付着量となりいずれの鋼材でも酸化処理の有効性が確認された。
【００３３】
第５参考例
図１１は１８０℃以上の乾燥条件下で最終酸化を行う形態を示す図である。酸化性気体注入ライン３８よりオゾンや酸素などの酸化性気体を注入しながら、外部ヒータ４６により除染対象物を加熱することにより、さらに緻密な酸化皮膜の生長が助長される。
【００３４】
これまでに説明した第１〜第３参考例においては、ステンレス鋼や炭素鋼の表面に水が残存している場合について説明したが、ステンレス鋼や炭素鋼表面が乾燥している場合には、全ての実施の形態において酸化性気体とともに水蒸気を供給することで同様な効果を得ることができる。特に図１１に示す第４参考例においては、酸化性気体とともに水を供給し、ヒータ４０によりこの水を加熱することにより配管内に飽和水蒸気を発生させ、水蒸気を酸化性気体とともに供給した場合と同様な効果を得ることができる。
【００３５】
本発明の実施の形態
次に、強制的に水蒸気を凝結させ、酸化被膜生成を促進させる本発明の実施の形態を図１２に示す。
この実施の形態は、酸化性気体注入ライン３８内に水を注入するようにしたものにおいて、さらに原子炉冷却材再循環系５の上部垂直管に外部クーラ４１を装着して、下部で生成した水蒸気を凝結させるようにしたものである。
この場合、酸化性気体を溶かし込んだ水は垂直壁面を濡らしながら流下し、その間に原子炉冷却材再循環系５の配管内に酸化被膜を生成する。
このように処理対象表面に水蒸気の凝結を起こすことにより酸化性気体を含む水滴との接触を図ることでステンレス表面への安定した高濃度の酸化性気体の供給が可能となる。
一方、流下し下部に溜まった水は再びヒータ４０で加熱させ水蒸気として配管内を満たす。
【００３６】
第６参考例
図１３は、沸騰水型原子炉再循環系から分岐した炭素鋼配管である残留熱除去系配管および炉水浄化系配管に対して処理を行った図４の第３参考例の変形例である。化学除染により配管内表面の酸化被膜は除去され、炭素鋼金属面が露出した状態となった後、水抜き後、化学除染時の除染ループとの取り合い点、図１３の例では弁２４、２５、２６、２２から酸化性気体と加熱乾燥空気を混合させ残留熱除去系８の配管および炉水浄化系９の配管に供給している。余剰の酸化性気体はクーラ３５で除湿され分解器３６を経て仮設循環ポンプ３７で排気される。しかして、この方法により、除染後の炭素鋼配管、弁の鋼表面全体が酸化され、安定な酸化被膜が形成される。
【００３７】
第７参考例
図１４は同様の効果をねらった炭素鋼表面へ酸化被膜を生成する他の実施の形態を示す図である。この第７参考例では加熱乾燥空気ではなく、酸化性気体たとえばオゾン、酸素もしくはオゾンと酸素の混合気を吹き込みつつ酸化膜を生成すべき箇所に外部ヒータ４２、４３を施すことで所定温度条件例えば１２０℃にする。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば化学除染装置構成に付帯設備や特別な薬品類を加えることなく、据え付けられた状態で化学除染後の機器、配管の金属表面に、安定した酸化被膜が生成でき、その後のプラント運転中において放射能の取り込みが抑制でき、被ばく低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】特に本発明に係る化学除染の対象部となる原子炉冷却材再循環系及び残留熱除去系に対する化学除染方法の一実施の形態を示す系統図。
【図２】本発明に係る化学除染方法のプロセスを示すフローチャート。
【図３】本発明に係る化学除染方法の他のプロセスを示すフローチャート。
【図４】炭素鋼配管部分のみの化学除染を行うようにした化学除染方法を示す系統図。
【図５】本発明に係る炭素鋼への放射能付着抑制効果を示す実験結果の図。
【図６】酸化処理温度を高くした場合の放射能付着量を示す図。
【図７】本発明に係る化学除染方法の他の実施の形態を示す系統図。
【図８】純水中のオゾン溶解濃度の温度依存性を示す図。
【図９】本発明に係るステンレス鋼への放射能付着抑制効果を示す概念図。
【図１０】本発明に係るステンレス鋼および炭素鋼への放射能付着抑制効果を示す実験結果の図。
【図１１】本発明に係る化学除染方法の他の実施の形態を示す系統図。
【図１２】本発明に係る化学除染方法のさらに他の実施の形態を示す系統図。
【図１３】本発明に係る化学除染方法の他の実施の形態を示す系統図。
【図１４】本発明に係る化学除染方法の他の実施の形態を示す系統図。
【図１５】沸騰水型原子炉の一次冷却水系の概略構成を示す図。
【符号の説明】
１原子炉圧力容器
２炉心
５原子炉冷却材再循環系
６ジェットポンプ
７再循環ポンプ
８残留熱除去系
９炉水浄化系
２０酸化性気体供給源
２１仮設循環ポンプ
２２戻り弁
２３ライザ管ノズル部
２４炉水浄化系入口弁
２５炉水浄化系ボトムドレインライン入口弁
２６残留熱除去系入口弁
２７ノズルプラグ
２８片側閉止弁
３１再循環系入口ノズル
３２、３３除染座
３４ライザ管ノズル部
３８酸化性気体注入ライン
４０ヒータ
４１外部クーラ

Claims

原子力発電プラントの機器、配管に付着した放射能を酸化と還元を交互に繰り返すことにより化学的に除去する除染方法において、
化学除染の最終の工程を酸化工程とするとともに、
前記最終酸化工程において、酸化性気体を処理対象配管内に流通させて処理対象表面に常時流れが生ずるようにし、
かつ前記最終酸化工程において処理対象配管内に酸化性気体を注入するとともに、処理対象配管内に注入された水を加熱して飽和水蒸気を生成させ、
さらに処理対象配管内の飽和水蒸気を冷却して凝結させ、処理対象面に濡れ面を形成し、
酸化性気体を溶かし込んだ水が処理対象表面に接触するようにしたことを特徴とする化学除染方法。
化学除染対象表面が鉄酸化物で覆われている場合には、前記化学除染をまず還元工程から始め、次いで酸化工程、還元工程を繰り返した後、前記最終酸化工程を実施することを特徴とする、請求項１記載の化学除染方法。
化学除染対象表面がクロム含有量が多い酸化被膜で覆われている場合には、前記化学除染をまず酸化工程から始め、次いで還元工程を行いこのサイクルを繰り返した後、前記最終酸化工程を実施することを特徴とする、請求項１記載の化学除染方法。
前記最終酸化工程は、原子力発電プラントの機器、配管における炭素鋼配管部分だけを隔離し、その炭素鋼配管部分のみに実施することを特徴とする、請求項１記載の化学除染方法。
前記最終酸化工程において、酸化性気体を処理対象配管内に流通させ、処理対象表面に常時流れが生ずるようにしたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の化学除染方法。