JP4370466B2 - 応力腐食割れ緩和方法、薬液注入装置、及び、原子力発電プラント - Google Patents
応力腐食割れ緩和方法、薬液注入装置、及び、原子力発電プラント Download PDFInfo
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Description
本発明は、軽水を冷却水として冷却を行う原子炉を備えた原子力発電プラントの予防保全のための応力腐食割れの緩和技術に係り、特に、冷却水に接触する金属材料の応力腐食割れの緩和技術に関する。
軽水を冷却水として冷却を行う原子炉を備えた原子力発電プラントにおいてプラント稼働率の向上の観点から、炉内構造物や圧力境界などを構成する金属製の構造材料、例えばステンレスやニッケル基合金など金属材料の応力腐食割れ（以下、ＳＣＣと略称する）を緩和、抑制することが重要な問題となっている。ＳＣＣは、材料、応力、環境の３因子が重畳したときに起こる。したがって、３因子の内、少なくとも1因子を緩和することによりＳＣＣを緩和できる。
原子力発電プラントの運転中、原子炉の炉心からのガンマ線及び中性子線により、原子炉を冷却する軽水を用いた冷却水が放射線分解する。その結果、炉内構造物や圧力境界などを構成する金属材料は、放射線分解生成物である酸素及び過酸化水素が数百ｐｐｂ程度存在する１００℃以上の高温、例えば沸騰水型原子力発電プラントの定格出力運転時の冷却水の炉心からの出口温度は２８８℃、加圧水型原子力発電プラントの定格出力運転時の冷却水の炉心からの出口温度は３２５℃といったような高温の冷却水に曝されることとなる。
ここで、ＳＣＣにおけるき裂進展速度(以下、ＣＧＲと略称する)と腐食電位(以下、ＥＣＰと略称する)の関係を見ると、図１１に示すように、ＥＣＰが低下するとＣＧＲが減少する。さらに、酸素及び過酸化水素の濃度と高温水中における３０４型ステンレス鋼(以下、３０４ＳＳと略称する)のＥＣＰとの関係を測定した結果を見ると、図１２に示すように、酸素においても、過酸化水素においても、濃度の減少に伴いＥＣＰが小さくなる。したがって、原子炉の冷却水に接触する金属材料のＳＣＣを緩和するためにはＥＣＰを低減すること、つまり、原子炉水中に存在する酸素及び過酸化水素の濃度を低減することが有効である。
これに対して、原子力発電プラントにおける高温の水に接触する金属材料のＳＣＣを緩和する方法として、給水系から水素を添加する水素注入という技術がある。水素注入は、注入した水素と水との放射線分解によって生じた酸素及び過酸化水素とを反応させて水に戻すことにより、炉水中の酸素及び過酸化水素の濃度を低減する技術である。さらに、水素注入に加えて、アンモニアやヒドラジンなどの酸化数が負の還元性窒素化合物（以下、還元性窒素化合物と称する）を注入する技術（例えば、特許文献１−３参照）や、メタノールなどのアルコールを注入する技術なども提案されている。これらの技術も、水素注入の場合と同様、水素と水の放射線分解によって生じた酸素及び過酸化水素とを反応させて水に戻す技術である。水素注入を行う場合、水の放射化により生じた放射性窒素１６(以下、Ｎ−１６と称する)が蒸気と共に移行しやすくなり、このＮ−１６がタービン建屋の線量率を上昇させる副作用が生じる。しかし、還元性窒素化合物やアルコールの併用によりその副作用を抑制できることが期待されている。
原子力発電プラントの運転中、原子炉の炉心からのガンマ線及び中性子線により、原子炉を冷却する軽水を用いた冷却水が放射線分解する。その結果、炉内構造物や圧力境界などを構成する金属材料は、放射線分解生成物である酸素及び過酸化水素が数百ｐｐｂ程度存在する１００℃以上の高温、例えば沸騰水型原子力発電プラントの定格出力運転時の冷却水の炉心からの出口温度は２８８℃、加圧水型原子力発電プラントの定格出力運転時の冷却水の炉心からの出口温度は３２５℃といったような高温の冷却水に曝されることとなる。
ここで、ＳＣＣにおけるき裂進展速度(以下、ＣＧＲと略称する)と腐食電位(以下、ＥＣＰと略称する)の関係を見ると、図１１に示すように、ＥＣＰが低下するとＣＧＲが減少する。さらに、酸素及び過酸化水素の濃度と高温水中における３０４型ステンレス鋼(以下、３０４ＳＳと略称する)のＥＣＰとの関係を測定した結果を見ると、図１２に示すように、酸素においても、過酸化水素においても、濃度の減少に伴いＥＣＰが小さくなる。したがって、原子炉の冷却水に接触する金属材料のＳＣＣを緩和するためにはＥＣＰを低減すること、つまり、原子炉水中に存在する酸素及び過酸化水素の濃度を低減することが有効である。
これに対して、原子力発電プラントにおける高温の水に接触する金属材料のＳＣＣを緩和する方法として、給水系から水素を添加する水素注入という技術がある。水素注入は、注入した水素と水との放射線分解によって生じた酸素及び過酸化水素とを反応させて水に戻すことにより、炉水中の酸素及び過酸化水素の濃度を低減する技術である。さらに、水素注入に加えて、アンモニアやヒドラジンなどの酸化数が負の還元性窒素化合物（以下、還元性窒素化合物と称する）を注入する技術（例えば、特許文献１−３参照）や、メタノールなどのアルコールを注入する技術なども提案されている。これらの技術も、水素注入の場合と同様、水素と水の放射線分解によって生じた酸素及び過酸化水素とを反応させて水に戻す技術である。水素注入を行う場合、水の放射化により生じた放射性窒素１６(以下、Ｎ−１６と称する)が蒸気と共に移行しやすくなり、このＮ−１６がタービン建屋の線量率を上昇させる副作用が生じる。しかし、還元性窒素化合物やアルコールの併用によりその副作用を抑制できることが期待されている。
このような水素注入に関連する技術とは別に、酸化ジルコニウムや酸化チタンなどの中性酸化物を原子炉水に注入して材料表面に付着させて、材料表面で水素と酸素、過酸化水素の反応を促進させる光触媒作用により材料のＥＣＰを低減する技術が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
また、沸騰水型原子力発電プラントでは、原子炉で発生した蒸気をタービンに導き凝縮させた後、再び原子炉に戻す循環の過程で、原子炉水中に不純物が生じ、この不純物がＳＣＣの原因となる場合がある。これに対して、原子炉水を浄化するための原子炉浄化系を形成する管路を設け、この管路にイオン交換樹脂用いた浄化装置を設けて不純物を除去することが提案されている（例えば、特許文献５参照）。
ここで、本発明者らは、金属材料のＳＣＣを緩和する冷却水に注入する中性化学種や陽イオン性化学種を含む薬液には、陰イオン性化学種が不純物として含まれている可能性があることに着目した。すなわち、薬品生成時に使用された陰イオン性化学種が、薬品生成後にも不純物として残留する可能性があること、さらに、薬液を調整するとき、中性化学種や陽イオン性化学種を水溶液中に溶解させるためなどの目的で陰イオン性の不純物が添加される場合があることに着目した。
例えば、還元性窒素化合物のヒドラジンは、アンモニアと塩素を作用させるＲＡＳＣＨＩＧ法や、アンモニアとケトン、過酸化水素、リン酸塩を作用する方法などにより生成される。そして、生成したヒドラジンは、濃度を高くするために脱塩蒸留され、硫酸や塩酸と反応させて結晶化させる操作が行われる。したがって、ヒドラジンには、生成、濃縮の操作を行うときに、塩化物イオンや硫酸イオン、リン酸などの陰イオン性不純物が混入する可能性がある。また、酸化ジルコニウムや酸化チタンなどの中性酸化物は、塩化物や硫酸化合物の気中酸化や溶液の中和処理により生成される。したがって、これらの中性酸化物溶液には、塩化物イオンや硫酸イオン、硝酸イオンなどの陰イオン性不純物が混入する可能性がある。
このような塩化物イオンや硫酸イオン、リン酸などの不純物となる陰イオン性化学種、つまり、陰イオン性不純物は、導電率を上昇させる作用があり、特に、塩化物イオンなど、耐食性酸化皮膜を破壊する作用もあるため、ＳＣＣを引き起こす原因となる。さらに、これらの陰イオン性不純物は、金属材料に生じたき裂内で濃縮し、き裂内のｐＨを低下させて金属材料の腐食を加速する。このようなことから、本発明者らは、従来の金属材料のＳＣＣを緩和する薬液の注入による応力腐食割れの緩和方法、そのための薬液注入装置、また、そのような薬液注入を行う原子力発電プラントでは、金属材料のＳＣＣを緩和する薬液に陰イオン性不純物が含まれている場合、ＳＣＣの緩和能力が低減してしまい、場合によっては、き裂の進展を促進させる可能性すらあり、従来の応力腐食割れの緩和方法や、薬液注入装置の応力腐食割れの緩和能力は向上させる余地があることを見出した。
本発明の課題は、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上させることにある。
なお、中性化学種とは、水に溶解してもイオンにならないアルコールなどの有機化合物や、カーボヒドラジドといったようなヒドラジン化合物、そして、金属や金属酸化物の微粒子などを意味し、陽イオン性化学種とは、ヒドラジンやアンモニアなどの還元性窒素化合物などを意味している。また、不純物となる陰イオン性化学種、つまり、陰イオン性不純物は、応力腐食割れの発生に関係する塩化物イオンや硫酸イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオン、燐酸イオンなどを意味し、水酸化物イオンなどは除く。
本発明の応力腐食割れの緩和方法は、軽水を冷却水として冷却を行う原子炉を備えた原子力発電プラントの冷却水に接触する金属材料の応力腐食割れの緩和方法であり、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を冷却水に注入するとき、陰イオン性不純物を除去する陰イオン除去器を通過させた薬液を前記冷却水に注入することにより上記課題を解決する。これにより、陰イオン性不純物を含まない薬液が冷却水に注入されるため、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。
さらに、薬液を冷却水が通流する経路の原子炉への流入部または流入部近傍で注入すれば、薬液の劣化が生じ難いため、応力腐食割れの緩和能力をより向上できる。
また、本発明の応力腐食割れの緩和方法は、中性化学種を水に溶かしてなる薬液を冷却水に注入するとき、冷却水が通流する経路の、この経路に設けられた陰イオン交換樹脂を含む脱塩装置よりも冷却水の通流方向に対して上流側に薬液を注入することにより上記課題を解決する。これにより、薬液の冷却水への注入前に陰イオン性不純物を陰イオン除去器により除去しなくても、冷却水の通流経路に設けられた脱塩装置により陰イオン性不純物を除去して、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。
また、本発明の薬液注入装置は、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を収容するタンクと、このタンク内の薬液を通流させて薬液中の陰イオン性不純物を除去する陰イオン除去器と、軽水を冷却水として冷却を行う原子炉の冷却水が通流する流路に、陰イオン除去器を通流させた薬液を注入する注入流路とを備えた構成とすることにより上記課題を解決する。このような構成とすれば、陰イオン性不純物を含まない薬液が冷却水に注入されるため、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。
さらに、タンクと陰イオン除去器との間に薬液を循環させる薬液循環流路と、この薬液循環流路に設けられて陰イオン性不純物の濃度を検出する陰イオン性不純物濃度検出手段とを備えた構成とする。これにより、より確実に陰イオン性不純物を含まない薬液を冷却水に注入できるため、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力をより確実に向上できる。
また、陰イオン除去器は、陰イオン交換樹脂が充填された陰イオン交換樹脂槽を有する構成とする。さらに、陰イオン除去器は、陽極と陰極となる２つの電極間にイオン交換膜を設置した電解槽を有する構成とする。
また、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を収容する第１のタンクと、この第１のタンク内の薬液を通流させて薬液中の陰イオン性不純物を除去する陰イオン除去器と、第１のタンクと陰イオン除去器との間に薬液を循環させる薬液循環流路と、この薬液循環流路に設けられて陰イオン性不純物の濃度を検出する陰イオン性不純物濃度検出手段と、薬液循環流路から分岐した分岐流路に連結されて第１のタンクからの薬液を収容する第２のタンクと、第２のタンク内の薬液を、軽水を冷却水として冷却を行う原子炉の冷却水が通流する流路に注入する注入流路とを備えた構成とする。このような構成とすれば、第１のタンクと陰イオン除去器などを管理区域外に設置でき、陰イオン除去器に用いた陰イオン除去のための陰イオン交換樹脂などを、一般の産業廃棄物として処理できる。
また、本発明の原子力発電プラントは、軽水を冷却水として冷却を行う原子炉を備えた原子力発電プラントであり、冷却水が通流する冷却水流路に中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を注入する薬液注入装置として、上記のいずれかの構成の薬液注入装置を有する構成とすることにより上記課題を解決する。
さらに、薬液注入装置の注入流路は、冷却水流路の原子炉への流入部または流入部近傍に連結されている構成とする。
また、本発明の原子力発電プラントは、冷却水が通流する冷却水流路に中性化学種を水に溶かしてなる薬液を注入する薬液注入装置の薬液の注入流路が、冷却水流路の、この冷却水流路に設けられた陰イオン交換樹脂を含む脱塩装置よりも冷却水の通流方向に対して上流側に連結されている構成とする。
本発明によれば、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第１の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる薬液注入装置の概略構成を示す図である。図２は、本発明を適用してなる原子力発電プラントの概略構成を示す図である。
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第１の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる薬液注入装置の概略構成を示す図である。図２は、本発明を適用してなる原子力発電プラントの概略構成を示す図である。
本実施形態の薬液注入装置１は、図１に示すように、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を収容する第１溶液タンク３、第１薬液タンク３の底部側と上部側に接続されて薬液を第１薬液タンク３の底部側から流出させて再び第１薬液タンク３に戻すための薬液循環管路５を備えている。薬液循環管路５には、薬液の通流方向に第１薬液タンク３側からバルブ７、循環ポンプ９、陰イオン除去器１１、陰イオン性不純物濃度測定器１３、バルブ１５などが順次設けられている。陰イオン除去器１１は、陰イオン交換樹脂を充填した陰イオン交換樹脂槽を備えている。
さらに、薬液注入装置１は、薬液循環管路５の陰イオン性不純物濃度測定器１３とバルブ１５との間の部分で分岐した分岐管路１７、分岐管路１７に設けられたバルブ１９、分岐管路１７の他端が上部側に接続された第２薬液タンク２１、図１には図示していない原子力発電プラントの冷却水が通流する管路に薬液を注入するため、第２薬液タンク２１の底部側に接続された注入管路２３を備えている。注入管路２３には、第２薬液タンク２１側からバルブ２５、積算流量計２７、注入ポンプ２９、流量計３１、逆止弁３３などが順次設けられている。
また、注入管路２３の第２薬液タンク２１とバルブ２５との間の部分からは、第２薬液タンク２１内などの薬液を排出するための排水管路３５が分岐しており、排水管路３５には、排水バルブ３７が設けられている。さらに、注入管路２３の第２薬液タンク２１と排水管路３５の分岐部との間の部分と、第２薬液タンク２１の上部側との間には、第２薬液タンク２１内の薬液の量を示す水位計３９が設けられている。
なお、中性化学種とは、水に溶解してもイオンにならないアルコールなどの有機化合物や、カーボヒドラジドといったようなヒドラジン化合物、そして、金属や金属酸化物の微粒子などを意味し、陽イオン性化学種とは、ヒドラジンやアンモニアなどの還元性窒素化合物などを意味している。また、不純物となる陰イオン性化学種、つまり、陰イオン性不純物は、応力腐食割れの発生に関係する塩化物イオンや硫酸イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオン、燐酸イオンなどを意味し、水酸化物イオンなどは除く。
ここで、このような構成の薬液注入装置１を設けた原子力発電プラントの構成について説明する。本実施形態の原子力発電プラント４１は、図２に示すように、沸騰水型原子力発電プラントつまりＢＷＲであり、核燃料の装荷された原子炉圧力容器４２の上部と復水冷却器４３とを給水系管路４４で接続し、給水系管路４４に復水冷却器４３側から順に復水ろ過脱塩器４５、給水ポンプ４７、給水加熱器４９が設けられている。さらに、原子炉圧力容器４２の上部と復水冷却器４３に連結されているタービン５１との間には、主蒸気管路５３が接続されており、給水系管路４４と主蒸気管路５３とにより閉ループを形成している。
原子力発電プラント４１は、原子炉冷却剤として水を使い、原子炉圧力容器４２で水を蒸気にし、この蒸気を使ってタービン５１を回転させて図示していない発電機を回転させ、発電を行う。タービン５１からの蒸気は、復水冷却器４３で水に戻され、復水ろ過脱塩器４５で不純物が除去され、給水ポンプ４７で給水過熱器４９を通して原子炉圧力容器４２に戻される。
これとは別に、原子炉圧力容器４２の下部と原子炉圧力容器４２内のジェットポンプ５３への入口部分との間には、原子炉冷却水再循環系管路５５が接続されており、原子炉冷却水再循環系管路５５には、再循環ポンプ５７が設けられており、再循環ポンプ５７により炉心に流れる冷却水流量を増加させて熱出力を増加させる仕組みになっている。さらに、原子力発電プラント４１の原子炉では、原子炉冷却水再循環系管路５５の原子炉圧力容器４２と再循環ポンプ５７との間の部分から原子炉冷却水浄化系管路５９が分岐し、原子炉冷却水浄化系管路５９の他端は、給水系管路４４の原子炉圧力容器４２への流入部に合流している。
原子炉冷却水浄化系管路５９には、原子炉冷却水再循環系管路５５との分岐部側から順に、浄化系ポンプ６１、浄化系熱交換器６３、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５が設けられている。また、原子炉冷却水浄化系管路５９は、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５よりも下流側の部分で、再び浄化系熱交換器６３に連結されている。そして、浄化系ポンプ６１で原子炉水を、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５に通水することにより、原子炉水中の不純物を浄化する仕組みになっている。また、原子炉圧力容器４２の底部と、原子炉冷却水浄化系管路５９の原子炉冷却水再循環系管路５５との分岐部と浄化系ポンプ６１との間には、ボトムドレン管路６７が接続されている。
さらに、原子力発電プラント４１には、図示していないが、原子炉圧力容器４２の炉心上部に、非常時に炉心を冷却するため、原子炉炉心に冷却水を注入する非常用炉心冷却系や、原子炉の核燃料の核反応を制御する制御棒を駆動させるために冷却水を注入する制御棒駆動水圧系などが設置されている。
また、給水系管路４４には、復水ろ過脱塩器４５と給水ポンプ４７との間の部分、そして、給水過熱器４９と原子炉圧力容器４２との間の部分に、各々、水質をモニターするための水質モニター６９が設けられている。原子炉冷却水浄化系管路５９には、浄化系熱交換器６３と原子炉冷却水ろ過脱塩器６５との間の原子炉冷却水ろ過脱塩器６５よりも上流側の部分、そして、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５と浄化系熱交換器６３との間の原子炉冷却水ろ過脱塩器６５よりも下流側の部分に、各々、水質を監視するための水質モニター６９が設けられている。ボトムドレン管路６７にも、水質を監視するための水質モニター６９が設けられている。主蒸気管路５３の原子炉圧力容器４２からの流出部には、線量率をモニターするための主蒸気配管線量率測定器７１が設けられている。
このような構成の原子力発電プラント４１では、炉内構造物や圧力境界などを構成し、原子炉水に接触する金属製の構造材料、例えばステンレスやニッケル基合金など金属材料の応力腐食割れ（以下、ＳＣＣと略称する）を緩和するため、給水系管路４４の復水ろ過脱塩器４５と給水ポンプ４７との間の部分で、水質モニター６９よりも上流側の部分に、水素ガス注入量調整バルブ７３を設けた水素注入管路７５を介して水素ガス発生装置７７が連結されている。さらに、原子炉冷却水浄化系管路５９の原子炉冷却水ろ過脱塩器６５及び浄化系熱交換器６３よりも下流側で、給水系管路４４との合流部分近傍に、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を注入する薬液注入装置１が、注入管路２３を介して接続されている。
このような構成の薬液注入装置１などの動作や本発明の特徴部などについて説明する。薬液注入装置１では、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液が、図１に示すように、第１薬液タンク３に入れられる。そして、第１薬液タンク３内の薬液は、薬液循環管路５のバルブ７、１５を開、分岐管路１７のバルブ１９を閉の状態で循環ポンプ９を駆動することにより、陰イオン除去器１１に通流し、第１薬液タンク３と陰イオン除去器１１との間を循環する。このとき、陰イオン性不純物濃度測定器１３で、陰イオン性不純物が設定したレベル以下になるなど、陰イオン性不純物を除去できていることが検出、確認されたら、分岐管路１７のバルブ９を開、薬液循環管路５のバルブ１５を閉にし、薬液を、分岐管路１７を介して第２薬液タンク２１に送る。これにより、薬液が第２薬液タンク２１に貯蔵される。
なお、第１薬液タンク３と陰イオン除去器１１との間で薬液を循環させても、陰イオン性不純物濃度測定器１３で陰イオン性不純物が所定量以上検出される場合は、陰イオン除去器１１の陰イオン交換樹脂の性能が低下したと考え、新しい陰イオン交換樹脂と交換する。
ここで、陰イオン除去器１１において、陰イオンは次式（１）に従って陰イオン交換樹脂に捕捉されるが、中性化学種や陽イオン性化学種は捕捉されない。
ｎＲ−ＯＨ ＋ Ｂｎ- → （Ｒ−）ｎＢ ＋ ｎＯＨ- ・・・（１）
ただし、Ｒ：イオン交換基以外の部分、Ｂｎ-：陰イオン、ｎ：価数とする。
ｎＲ−ＯＨ ＋ Ｂｎ- → （Ｒ−）ｎＢ ＋ ｎＯＨ- ・・・（１）
ただし、Ｒ：イオン交換基以外の部分、Ｂｎ-：陰イオン、ｎ：価数とする。
したがって、陰イオン交換樹脂槽を備えた陰イオン除去器１１に通水することにより、選択的に陰イオン性不純物を除去できる。このような陰イオン除去器１１による陰イオン性不純物の除去方法では、電気などの外部からのエネルギーを使用することなく陰イオン性不純物を除去できる。また、陰イオン性不純物の除去量は、使用するイオン交換樹脂の量に比例するため、薬液に含まれる陰イオン性不純物濃度を予め測定しておけば、処理できる薬液の量を予め把握でき、その量からイオン交換樹脂の交換時期を予測できる。
第２薬液タンク２１に貯蔵された陰イオン性不純物が除去された薬液は、排水管路３５のバルブ３７が閉、注入管路２３のバルブ２５が開の状態で注入ポンプ２９が駆動することにより、第２薬液タンク２１から注入管路２３内を送液される。このとき、逆止弁３３により、薬液が逆流しないようになっている。また、流量計３１または積算流量計２７で検出された流量に基づいて注入ポンプ２９の送液量が調整され、薬液注入量が調整される。そして、注入管路２３を介して、図２に示すように、原子力発電プラント４１の原子炉冷却水浄化系管路５９の原子炉冷却水ろ過脱塩器６５及び浄化系熱交換器６３よりも下流側で、給水系管路４４との合流部分近傍、つまり、冷却水の流路の原子炉圧力容器４２への流入部の近傍で薬液が冷却水に注入される。
これにより、水素と陰イオン性不純物が除去された薬液が冷却水に混入された冷却水、つまり、原子炉水が通流する原子炉圧力容器４２内の流路や、原子炉冷却水再循環系管路５５、原子炉冷却水浄化系管路５９、ボトムドレン管路６７などを通流することによって、水素と、薬液注入装置１による陰イオン性不純物が除去された薬液に含まれる中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方との作用によって、ＳＣＣが緩和される。
なお、薬液注入装置１では、積算流量計２７または水位計３９により、第２薬液タンク２１内の薬液の残量を確認し、必要に応じて第１薬液タンク３から陰イオン性不純物を除去した薬液を移送する。
このように、本実施形態の応力腐食割れの緩和技術では、陰イオン性不純物を含まない薬液が冷却水に注入されるため、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。
さらに、本実施形態の応力腐食割れの緩和技術では、薬液注入装置１の注入管路２３が、原子炉冷却水浄化系管路５９の給水系管路４４との合流部分の近傍に接続されているため、薬液を、冷却水が通流する流路の原子炉圧力容器４２への流入部近傍で注入することになる。また、薬液の注入は、原子炉圧力容器４２への流入部に行うこともできる。このように、薬液を原子炉圧力容器４２への流入部または流入部近傍に注入することにより、冷却水が高温になる部分に至るまでの間の距離が短くなり、薬液の劣化が生じ難いため、応力腐食割れの緩和能力をより向上できる。
さらに、本実施形態の薬液注入装置１では、第１薬液タンク３、薬液循環管路５、陰イオン除去器１１などの薬液から陰イオン性不純物を除去する部分と、第２薬液タンク２１、注入管路２３などの陰イオン性不純物を除去した薬液を原子炉水に注入する部分とが別個に形成され、分岐管路１７で接続された構造となっている。このため、各々の部分を別の場所に設置することができ、第１薬液タンク３、薬液循環管路５、陰イオン除去器１１などの薬液から陰イオン性不純物を除去する部分を管理区域外に設置し、そこで陰イオン性不純物を除去する操作を行えば、陰イオン除去器１１で生じる陰イオン交換樹脂といった廃棄物を一般の産業廃棄物として処分でき、放射性廃棄物発生量を低減できる。
また、本実施形態では、薬液注入装置１は、原子炉冷却水浄化系管路５９に薬液を注入する構成となっているが、給水系管路４４や原子炉冷却水再循環系管路５５、さらに、図示していない非常用炉心冷却系や制御棒駆動水圧系などの冷却水となる軽水が通流する様々な流路に薬液を注入する構成にできる。
（第２の実施形態）
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第２の実施形態について図３及び図４を参照して説明する。図３及び図４は、本発明を適用してなる薬液注入装置の概略構成を示す図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第２の実施形態について図３及び図４を参照して説明する。図３及び図４は、本発明を適用してなる薬液注入装置の概略構成を示す図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。
本実施形態では、原子力発電プラントとしての構成は、第１の実施形態と同じであるが、薬液注入装置の構成が第１の実施形態と相違している。したがって、ここでは、本実施形態の薬液注入装置の構成についてのみ説明する。本実施形態の薬液注入装置７９は、図３に示すように、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を収容する薬液タンク８１、薬液タンク８１の底部側と上部側との間で薬液を循環させるための薬液循環管路８３、薬液循環管路８３から分岐し、図１には図示していない原子力発電プラントの冷却水が通流する管路に薬液を注入する注入管路８５を備えている。
薬液循環管路８３には、薬液タンク８３側から循環ポンプ９、陰イオン除去器１１、陰イオン性不純物濃度測定器１３、バルブ８７、逆止弁８９などが順次設けられている。注入管路８５は、薬液循環管路８３の陰イオン性不純物濃度測定器１３とバルブ８７との間の部分から分岐しており、この分岐部側からバルブ２５、積算流量計２７、流量計３１、逆止弁３３などが順次設けられている。また、薬液循環管路８３の薬液タンク８１と循環ポンプ９との間の部分からは、薬液タンク８１内などの薬液を排出するための排水管路３５が分岐しており、排水管路３５には、排水バルブ３７が設けられている。
さらに、薬液循環管路８３の薬液タンク８１と排水管路３５の分岐部との間の部分と、薬液タンク８１の上部側との間には、薬液タンク８１内の薬液の量を示す水位計３９が設けられている。また、薬液タンク８１の上部側には、薬液を薬液タンク８１に供給するための薬液供給管路９１が接続されており、薬液供給管路９１にはバルブ９３が設けられている。
供給管路９１を介して供給された薬液は、薬液タンク８１に貯蔵され、薬液タンク８１に貯蔵された薬液は、注入管路８５のバルブ２５及び排水管路３５のバルブ３７が閉、薬液循環管路８３のバルブ８７が開の状態で循環ポンプ９が駆動することにより、陰イオン除去器１１に通流し、薬液タンク８１と陰イオン除去器１１との間を循環する。このとき、陰イオン性不純物濃度測定器１３で、陰イオン性不純物が設定したレベル以下になるなど、陰イオン性不純物を除去できていることが検出、確認されたら、注入管路８５のバルブ２５が開にされると共に注入ポンプ２９が駆動され、陰イオン性不純物を除去された薬液が、注入管路８５を介して冷却水に注入される。
なお、薬液を注入するとき、第１の実施形態と同様に、積算流量計２７または流量計３１で検出した流量に基づいて薬液循環管路８３のバルブ８７や注入管路８５のバルブ２５の開度を調整したり、注入ポンプ２９の薬液吐出量を調整したりすることで、所定の注入流量に調整する。また、薬液タンク８１内の薬液の貯蔵量は、積算流量計２７または水位計３９で確認し、必要に応じて供給管路９１から薬液を薬液タンク８１に追加する。さらに、陰イオン性不純物濃度測定器１３の陰イオン性不純物濃度が所定の濃度以上になると注入ポンプ２９、循環ポンプ９を停止し、バルブ２５、８７を閉止した後、陰イオン除去器１１の陰イオン交換樹脂を新しいものに交換する。
このような本実施形態の薬液注入装置７９、そして、薬液注入装置７９を用いた応力腐食割れの緩和方法や原子力発電プラントとすることでも、第１の実施形態と同様に、陰イオン性不純物を含まない薬液が冷却水に注入されるため、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。さらに、本実施形態では、薬液タンクが一つで済むため、第１の実施形態のような薬液注入装置に比べ、薬液注入装置を小型化できる。加えて、薬品製造後の保管時や輸送時に陰イオン性不純物が混入しても、本実施形態の薬液注入装置７９のような構成とすれば、原子炉水つまり冷却水中への陰イオン性不純物の混入を防止できる。
ここで、このような１つの薬液タンクのみによる構成の変形例について説明する。薬液注入装置９５では、図４に示すように、薬液注入装置７９の薬液循環管路８３の薬液タンク８１と循環ポンプ９との間の部分にバルブ９７を、薬液循環管路８３のバルブ８７と逆止弁８９との間の部分に保圧弁９９を設け、薬液注入装置７９の注入管路８５に設けてあった注入ポンプ２９を設けていない構成となっている点以外は、図３に示した構成と同じである。
このような薬液注入装置９５では、バルブ９７、８７が開、バルブ２５が閉の状態で、循環ポンプ９を駆動することにより、陰イオン除去器１１に薬液タンク８１内の薬液が通水され、薬液タンク８１と陰イオン除去器１１との間で薬液が循環する。陰イオン性不純物濃度測定器１３で陰イオン性不純物が設定した濃度以下になっているのが確認された後、バルブ２５を開にして薬液を注入管路８５から冷却水に注入する。このように、循環ポンプ９が注入ポンプも兼ねている。薬液の注入流量は、積算流量計２７または流量計３１の値に基づいて、バルブ２５またはバルブ８７を調整することにより調整される。
陰イオン性不純物濃度測定器１３で検出した陰イオン性不純物の濃度が所定の濃度以上になった場合、循環ポンプ９を停止し、バルブ９７、２５を閉止し、保圧弁９９を開放して圧力を逃がした後、陰イオン除去器１１の陰イオン交換樹脂を新しいものに交換する。
このように、薬液注入装置９５では、図３に示した構成と比較してポンプの数が少なく、装置をより小型にできる。
（第３の実施形態）
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第３の実施形態について図５及び図６を参照して説明する。図５及び図６は、本発明を適用してなる薬液注入装置のイオン交換膜を用いた陰イオン除去器の概略構成を示す図である。なお、本実施形態では、第１及び第２の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１及び第２の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第３の実施形態について図５及び図６を参照して説明する。図５及び図６は、本発明を適用してなる薬液注入装置のイオン交換膜を用いた陰イオン除去器の概略構成を示す図である。なお、本実施形態では、第１及び第２の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１及び第２の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。
本実施形態では、原子力発電プラントとしての構成、そして、薬液注入装置としての構成は、第１及び第２の実施形態と同様の構成にできるが、陰イオン除去器の構成が第１及び第２の実施形態と相違している。したがって、ここでは、本実施形態の薬液注入装置が備える陰イオン除去器の構成についてのみ説明する。本実施形態の薬液注入装置が備える陰イオン除去器が、第１及び第２の実施形態の薬液注入装置が備える陰イオン除去器と相違する点は、陰イオン交換樹脂によって陰イオン性不純物の除去を行わず、イオン交換膜を用いることによって陰イオン性不純物の除去を行うことにある。
すなわち、本実施形態の陰イオン除去器１０１は、図５に示すように、槽１０３、槽１０３内に対向させて設置されたカソード電極１０５とアノード電極１０７、カソード電極１０５とアノード電極１０７との間に設置され、槽１０３内をカソード電極１０５が設置された空間１０３ａとアノード電極１０７が設置された空間１０３ｂとの２つの空間に分割する陰イオン交換膜１０９などを有している。槽１０３内の空間１０３ａには、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を空間１０３ａに通流させるための薬液循環管路５が、槽１０３内の空間１０３ｂには、電解液を空間１０３ｂに通流させるための電解液管路１１１が接続されている。また、カソード電極１０５とアノード電極１０７とには、各々電気配線１１３が接続されている。
槽１０３内の空間１０３ａに薬液を通流させ、槽１０３内の空間１０３ｂに電解液、例えば炭酸水や水酸化ナトリウム溶液などを通流させた状態で、カソード電極１０５とアノード電極１０７とに通電して電解を行うと、空間１０３ａ内の薬液に含まれる陰イオン性不純物は、アノード電極１０７に引き寄せられ、陰イオン交換膜１０９を透過して空間１０３ｂ内へ移動する。一方、薬液に中性化学種が含まれている場合、中性化学種はいずれの電極にも引き寄せられず、空間１０３ａ内の薬液中に残る。また、薬液に陽イオン性化学種が含まれている場合、カソード電極１０５に引き寄せられ、空間１０３ａ内の薬液中に残る。これによって陰イオン性不純物を薬液から除去できる。
このとき、カソード電極１０５では、水素イオンから水素が生成する次式（２）のような水素発生反応が生じ、アノード電極１０７では、水酸化物イオンから酸素が生成する次式（３）のような酸素発生反応が生じることで電荷バランスが維持される。
Ｈ＋ ＋ e− → （１／２）Ｈ２ ・・・（２）
ＯＨ− → （１／２）Ｈ２Ｏ ＋ （１／４）Ｏ２ ＋ ｅ− ・・・（３）
これにより、槽１０３内の空間１０３ａで陰イオン性不純物を除去した薬液を作ることができる。
Ｈ＋ ＋ e− → （１／２）Ｈ２ ・・・（２）
ＯＨ− → （１／２）Ｈ２Ｏ ＋ （１／４）Ｏ２ ＋ ｅ− ・・・（３）
これにより、槽１０３内の空間１０３ａで陰イオン性不純物を除去した薬液を作ることができる。
ところで、図５に示した陰イオン除去器１０１において、陰イオン交換膜１０９を、陽イオン交換膜に代えて陰イオン除去器を構成することもできる。この場合、槽１０３内の空間１０３ａに電解液を通流させ、槽１０３内の空間１０３ｂに薬液を通流させる。この状態で電解すると、陽イオン性化学種は、カソード電極１０５に引き寄せられ、陽イオン交換膜を透過して空間１０３ｂから空間１０３ａに移行するが、陰イオン性不純物は、アノード電極１０７に引き寄せられ空間１０３ｂに残る。これにより、空間１０３ａ内に、陰イオン性不純物を含まない陽イオン性化学種を含んだ薬液ができる。なお、カソード電極１０５では、水素イオンから水素が生成する式（２）の反応が生じ、アノード電極１０７では、水酸化物イオンから酸素が生成する式（３）の反応が生じることで電荷バランスは維持される。
さらに、電極の間にイオン交換膜を設置して槽を分割し、電場をかけて特定のイオンにイオン交換膜を透過させて分離する電解槽を用いた陰イオン除去器の別の構成について説明する。陰イオン除去器１１５は、図６に示すように、槽１１７、槽１１７内に対向させて設置されたカソード電極１０５とアノード電極１０７、カソード電極１０５とアノード電極１０７との間に設置され、槽１１７内をカソード電極１０５が設置された空間１１７ａと電極が設置されていない空間１１７ｂ、そして、電極が設置されていない空間１１７ｂとアノード電極１０７が設置された空間１１７ｃに分割する２枚の陰イオン交換膜１０９などを有している。
槽１１７内の空間１１７ｂには、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を空間１１７ｂに通流させるための薬液循環管路５が、槽１１７内の空間１１７ａ、１１７ｃには、各々電解液を空間１１７ａ、１１７ｃに通流させるための電解液管路１１１が各々接続されている。また、カソード電極１０５とアノード電極１０７とには、各々電気配線１１３が接続されている。
槽１１７内の空間１１７ｂに薬液を通流させ、槽１１７内の空間１１７ａ、１１７ｃに電解液、例えば炭酸水や水酸化ナトリウム溶液などを通流させた状態で、カソード電極１０５とアノード電極１０７とに通電して電解を行うと、空間１１７ｂ内の薬液に含まれる陰イオン性不純物は、アノード電極１０７に引き寄せられ、陰イオン交換膜１０９を透過して空間１１７ｃ内へ移動する。一方、薬液に中性化学種が含まれている場合、中性化学種はいずれの電極にも引き寄せられず、空間１１７ｂ内の薬液中に残る。また、薬液に陽イオン性化学種が含まれている場合、カソード電極１０５に引き寄せられるが、空間１１７ａと空間１１７ｂとの間の陰イオン交換膜１０９を透過できないため、空間１１７ｂ内の薬液中に残る。これによって陰イオン性不純物を薬液から除去できる。
このとき、カソード電極１０５では、式（２）の水素生成反応が生じ、アノード電極１０７では、アノード電極１０７に引き寄せられて陰イオン交換膜１０９を通って空間１１７ｂから空間１１７ｃに移行してきた水酸化物イオンにより、式（３）の酸素生成反応が生じ、これにより電荷バランスが維持される。したがって、陰イオン除去器１１５では、空間１０７ａで薬液とは別に水素を含む溶液が得られることになり、水素を分離して収集し、応力腐食割れの緩和のために注入する水素などとして再利用できる。
このような本実施形態の陰イオン除去器１０１、１１５を備えた薬液注入装置、そして、このような薬液注入装置を用いた応力腐食割れの緩和方法や原子力発電プラントとすることでも、第１及び第２の実施形態と同様に、陰イオン性不純物を含まない薬液が冷却水に注入されるため、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。
（第４の実施形態）
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第４の実施形態について図７を参照して説明する。図７は、本発明を適用してなる原子力発電プラントの概略構成及び動作を示す図である。なお、本実施形態では、第１乃至第３の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１乃至第３の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第４の実施形態について図７を参照して説明する。図７は、本発明を適用してなる原子力発電プラントの概略構成及び動作を示す図である。なお、本実施形態では、第１乃至第３の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１乃至第３の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。
本実施形態の原子力発電プラントは、基本的な構成は第１の実施形態で示した原子力発電プラントと同様の構成となっているが、本実施形態が第１乃至第３の実施形態と相違する点は、薬液注入装置として陰イオン除去器を設けるなど、陰イオンを除去するための薬液注入装置の構成を特徴とするものではなく、原子力発電プラントにおける薬液の注入箇所を特徴としていることにある。すなわち、本実施形態の原子力発電プラント１１９は、図７に示すように、沸騰水型原子力発電プラントつまりＢＷＲであり、基本的な構成は第１の実施形態において図２に示したものと同じである。しかし、原子炉冷却水浄化系管路５９の浄化系熱交換器６３と原子炉冷却水ろ過脱塩器６５との間の原子炉冷却水ろ過脱塩器６５よりも上流側の部分で、水質モニター６９と原子炉冷却水ろ過脱塩器６５との間の部分に薬液注入装置１２１が接続されている。
薬液注入装置１２１は、第１乃至第３の実施形態に示したように陰イオン除去器を有するものではなく、図示していない中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を収容する薬液タンク、薬液タンクに接続された注入管路１２３、注入管路１２３に設けられた図示していないバルブ、流量計、逆止弁、そして、注入ポンプ１２５などのみを有するものである。そして、注入管路１２３が、原子炉冷却水浄化系管路５９の浄化系熱交換器６３と原子炉冷却水ろ過脱塩器６５との間の原子炉冷却水ろ過脱塩器６５よりも上流側の部分で、水質モニター６９と原子炉冷却水ろ過脱塩器６５との間の部分に合流した状態で、原子炉冷却水浄化系管路５９に連結されている。
また、本実施形態の原子炉冷却水ろ過脱塩器６５は、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂を混合したイオン交換樹脂を充填した槽を有している。したがって、薬液注入装置１２１の注入ポンプ１２５を駆動させて注入管路１２３から原子炉冷却水浄化系管路５９に薬液が注入されると、注入された薬液は、最初に原子炉冷却水ろ過脱塩器６５を通ることになる。原子炉冷却水ろ過脱塩器６５では、槽に充填されている陰イオン交換樹脂により、第１の実施形態で示した式（１）にしたがって陰イオン性不純物が除去されるため、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５よりも下流側では、陰イオン性不純物が除去された薬液が原子炉圧力容器内など、冷却水が高温になる部分に流れる。
ただし、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５には陽イオン交換樹脂も充填されている。このため、陽イオン交換樹脂のイオン交換器が陽イオンによって置き換わるまでは、薬液が陽イオン性化学種を含んでいる場合、薬液中の陽イオン性化学種が陽イオン交換樹脂に捕捉されることになり、ＳＣＣの緩和に有効な薬液を注入できない。したがって、薬液の注入開始から陽イオン性化学種を原子炉圧力容器内などに通流させるためには、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５の陽イオン交換樹脂を、予め注入する薬液が含む陽イオン性化学種によって置換させておく。なお、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５による陰イオン性不純物の除去性能を検出する場合には、原子炉冷却水ろ過脱塩器６５の下流側に設置された水質モニター６９に陰イオン性不純物濃度測定器を併設し、陰イオン性不純物の濃度測定を行えるようにする。
このような本実施形態の応力腐食割れの緩和方法や原子力発電プラント１１９とすることでも、第１乃至第３の実施形態と同様に、薬液の陰イオン性不純物を除去できるため、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。さらに、本実施形態では、原子力発電プラントに既設の原子炉冷却水ろ過脱塩器の陰イオン交換樹脂を利用しており、薬液注入装置に陰イオン交換樹脂を充填した槽を有する陰イオン除去器を設ける必要がないため、薬液注入装置から廃棄物として陰イオン交換樹脂が生じず、放射性廃棄物の発生量を低減できる。
（第５の実施形態）
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第５の実施形態について図８乃至１０を参照して説明する。図８及び図１０は、本発明を適用してなる薬液注入装置の概略構成を示すブロック図である。図９は、アンモニア濃度に対するヒドロキシルラジカル生成速度とヒドラジン生成濃度との関係を示す図である。なお、本実施形態では、第１乃至第４の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１乃至第４の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。
以下、本発明を適用してなる応力腐食割れの緩和技術の第５の実施形態について図８乃至１０を参照して説明する。図８及び図１０は、本発明を適用してなる薬液注入装置の概略構成を示すブロック図である。図９は、アンモニア濃度に対するヒドロキシルラジカル生成速度とヒドラジン生成濃度との関係を示す図である。なお、本実施形態では、第１乃至第４の実施形態と同一の構成などには同じ符号を付して説明を省略し、第１乃至第４の実施形態と相違する構成や特徴部などについて説明する。
本実施形態では、原子力発電プラントとしての構成は、第１の実施形態と同じであるが、薬液注入装置の構成が第１乃至第４の実施形態と相違している。したがって、ここでは、本実施形態の薬液注入装置の構成についてのみ説明する。本実施形態の薬液注入装置が第１乃至第４の実施形態と相違する点は、ヒドラジンを含む薬液の場合において、この薬液から陰イオン性不純物を除去するのではなく、陰イオン性不純物をほとんど含まないヒドラジンやヒドラジン化合物を合成して、合成したヒドラジンやヒドラジン化合物を含む薬液を冷却水に注入することにある。
すなわち、本実施形態の薬液注入装置１２７は、図８に示すように、アンモニア供給部１２９、過酸化水素供給部１３１、アンモニア供給部１２９からのアンモニア供給管路１３３と過酸化水素供給部１３１からの過酸化水素供給管路１３５とが接続され、内部に収容されたアンモニアと過酸化水素との混合溶液に紫外線を照射する紫外線照射器を有し、ヒドラジン生成部となる反応槽１３７、生成物管路１３９を介して反応槽１３７に接続されて反応槽１３７で生成されたヒドラジンを含む薬液を貯蔵する生成物貯蔵槽１４１、そして、生成物貯蔵槽１４１内の薬液を冷却水に注入するための注入管路２３などを備えている。なお、注入管路２３には、図示していないが、第１及び第２の実施形態と同様に、バルブ、流量計、逆止弁、そして、注入ポンプなどが設けられている。
このような薬液注入装置１２７では、アンモニア供給部１２９、ヒドロキシラジカル原料供給部となる過酸化水素供給部１３１からアンモニア及び過酸化水素を反応槽１３７に注入する。アンモニア及び過酸化水素が反応装槽１３７に収容された後、アンモニア及び過酸化水素の混合溶液に紫外線を照射する。このとき、紫外線の照射により、次式（４）（５）のような反応が生じ、アンモニア（ＮＨ３）とヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）から、陽イオン性化学種として酸素や過酸化水素と反応し易く、かつ、導電率上昇やｐＨ変化を起し難い水と窒素との反応によりヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）を生成できる。
・ＯＨ ＋ ＮＨ３ → ・ＮＨ２ ＋ Ｈ２Ｏ ・・・（４）
２・ＮＨ２ → Ｎ２Ｈ４ ・・・（５）
ここで、Ｇ.Ｖ. Ｂｕｘｔｏｎ及びＤ.Ａ. Ｌｙｎｃｈ著、J. Ｃｈｅｍ. Ｓｏｃ. Ｆａｒａｄａｙ. Ｔｒａｎｓ、９４、１９９８年、ｐ.３２７１−３２７４に示されている数式及び反応速度定数を使って計算したアンモニア濃度に対するヒドロキシルラジカル生成速度とヒドラジン生成濃度の関係は、図９に示すようになる。図９におけるｋ[Ｈ２Ｏ２]は、・ＯＨ生成速度で、紫外線やガンマ線の照射量に依存する。そして、アンモニアとヒドロキシルラジカルを作用させることによりヒドラジンを生成することができ、ｋ[Ｈ２Ｏ２]／[ＮＨ３]が大きくなると、ヒドラジン生成量が大きくなることがわかる。なお、ヒドロキシルラジカルは寿命が短いためアンモニア存在下で生成させることが望ましい。
・ＯＨ ＋ ＮＨ３ → ・ＮＨ２ ＋ Ｈ２Ｏ ・・・（４）
２・ＮＨ２ → Ｎ２Ｈ４ ・・・（５）
ここで、Ｇ.Ｖ. Ｂｕｘｔｏｎ及びＤ.Ａ. Ｌｙｎｃｈ著、J. Ｃｈｅｍ. Ｓｏｃ. Ｆａｒａｄａｙ. Ｔｒａｎｓ、９４、１９９８年、ｐ.３２７１−３２７４に示されている数式及び反応速度定数を使って計算したアンモニア濃度に対するヒドロキシルラジカル生成速度とヒドラジン生成濃度の関係は、図９に示すようになる。図９におけるｋ[Ｈ２Ｏ２]は、・ＯＨ生成速度で、紫外線やガンマ線の照射量に依存する。そして、アンモニアとヒドロキシルラジカルを作用させることによりヒドラジンを生成することができ、ｋ[Ｈ２Ｏ２]／[ＮＨ３]が大きくなると、ヒドラジン生成量が大きくなることがわかる。なお、ヒドロキシルラジカルは寿命が短いためアンモニア存在下で生成させることが望ましい。
このように生成された陰イオン性不純物を含んでいないヒドラジンを含む薬液は、生成物貯蔵槽１４１に送られ、そこで貯蔵される。そして、生成物貯蔵槽１４１から、注入管路２３を介して冷却水に注入される。
また、このような陰イオン性不純物を含んでいないヒドラジンを合成する薬液注入装置の構成の変形例について説明する。薬液注入装置１４３では、図１０に示すように、反応槽１３７と生成物貯蔵槽１４１との間の生成物管路１３９にアンモニア分離部１４５を設置し、アンモニア分離部１４５とアンモニア供給部１２９との間にアンモニア分離部１４５で分離したアンモニアをアンモニア供給部１２９に戻すアンモニア管路１４７を設けている。アンモニア分離部１４５は、イオン交換膜を設置した電解槽などで形成されており、反応槽１３７からの反応溶液に残留したアンモニアを反応溶液から分離し、アンモニア供給部１２９に戻す。これにより、ヒドラジンの合成の際に残留したアンモニアを再度ヒドラジンの合成に有効利用できる。
なお、反応槽１３７では、紫外線照射器に代えてガンマ線照射器を設けてもヒドラジンを合成することができる。また、ヒドロキシラジカル原料供給部となる過酸化水素供給部１３１に代えてオゾン供給部を設けることもできる。オゾン供給部を設けた場合、反応槽１３７での紫外線照射により、オゾンからヒドロキシラジカルが生成される。さらに、反応槽１３７で生成されたヒドラジンは、カーボヒドラジドといったようなヒドラジン化合物として薬液に含ませることもできる。
このような本実施形態の薬液注入装置１２７、１４３そして、このような薬液注入装置１２７、１４３を用いた応力腐食割れの緩和方法やこのような薬液注入装置１２７、１４３を備えた原子力発電プラントとすることでも、第１乃至第３の実施形態と同様に、陰イオン性不純物を含まない薬液を注入できるため、薬液の注入による応力腐食割れの緩和能力を向上できる。さらに、本実施形態では、陰イオン性不純物を除去するためのイオン交換樹脂などを使用しないので、放射性廃棄物発生量を低減できる。
また、第１乃至第５の実施形態では、原子力発電プラントとして沸騰水型原子力発電プラントを示したが、本発明は、軽水を冷却水または原子炉水とする原子力発電プラントであれば、改良型沸騰水型原子力発電プラント（以下、ＡＢＷＲと略称する）や加圧水型原子力発電プラントなど様々な構成の原子力発電プラントに適用できる。
例えば、ＡＢＷＲでは、本実施形態で示したＢＷＲの原子炉冷却水再循環管路５５はなく、再循環ポンプ５７に代えて圧力容器内にインターナルポンプを設置した構造となっている。このようなＡＢＷＲの場合、原子炉圧力容器上部から原子炉水の一部を引き出し、原子炉冷却水浄化系熱交換器を通して冷却し、原子炉水浄化装置で原子炉水中の不純物を除去し、給水系配管に戻す原子炉冷却水浄化管路が設置されているので、この原子炉冷却水浄化管路などに、各実施形態で示したような構成の薬液注入装置を接続する。
また、第１乃至第５の実施形態では、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方と水素を冷却水に注入する場合を示したが、本発明は、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方と、水素及びアルコールとを注入する場合などにも適用できる。
１ 薬液注入装置
３ 第１薬液タンク
５ 薬液循環管路
９ 循環ポンプ
１１ 陰イオン除去器
１３ 陰イオン性不純物濃度測定器
２１ 第２薬液タンク
２３ 注入管路
２９ 注入ポンプ
３ 第１薬液タンク
５ 薬液循環管路
９ 循環ポンプ
１１ 陰イオン除去器
１３ 陰イオン性不純物濃度測定器
２１ 第２薬液タンク
２３ 注入管路
２９ 注入ポンプ
Claims (10)
- 軽水を冷却水として冷却を行う原子炉を備えた原子力発電プラントの前記冷却水に接触する金属材料の応力腐食割れの緩和方法であり、中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を前記冷却水に注入するとき、陰イオン性不純物を除去する陰イオン除去器を通過させた前記薬液を前記冷却水に注入することを特徴とする応力腐食割れの緩和方法。
- 前記薬液を前記冷却水が通流する経路の前記原子炉への流入部または流入部近傍で注入することを特徴とする請求項１に記載の応力腐食割れの緩和方法。
- 軽水を冷却水として冷却を行う原子炉を備えた原子力発電プラントの前記冷却水に接触する金属材料の応力腐食割れの緩和方法であり、中性化学種を水に溶かしてなる薬液を前記冷却水に注入するとき、前記冷却水が通流する経路の、該経路に設けられた陰イオン交換樹脂を含む脱塩装置よりも前記冷却水の通流方向に対して上流側に前記薬液を注入することを特徴とする応力腐食割れの緩和方法。
- 中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を収容するタンクと、該タンク内の薬液を通流させて薬液中の陰イオン性不純物を除去する陰イオン除去器と、軽水を冷却水として冷却を行う原子炉の冷却水が通流する流路に、前記陰イオン除去器を通流させた薬液を注入する注入流路とを備えた薬液注入装置。
- 前記タンクと前記陰イオン除去器との間に薬液を循環させる薬液循環流路と、該薬液循環流路に設けられて陰イオン性不純物の濃度を検出する陰イオン性不純物濃度検出手段とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の薬液注入装置。
- 前記陰イオン除去器は、陰イオン交換樹脂が充填された陰イオン交換樹脂槽を有することを特徴とする請求項４または５に記載の薬液注入装置。
- 前記陰イオン除去器は、陽極と陰極となる２つの電極間にイオン交換膜を設置した電解槽を有することを特徴とする請求項４または５に記載の薬液注入装置。
- 軽水を冷却水として冷却を行う原子炉を備えた原子力発電プラントであり、前記冷却水が通流する冷却水流路に中性化学種及び陽イオン性化学種の少なくとも一方を含む薬液を注入する薬液注入装置として、請求項４乃至７のいずれか１項に記載の薬液注入装置を有することを特徴とする原子力発電プラント。
- 前記薬液注入装置の注入流路は、前記冷却水流路の前記原子炉への流入部または流入部近傍に連結されていることを特徴とする請求項８に記載の原子力発電プラント。
- 水を冷却水として冷却を行う原子炉を備えた原子力発電プラントであり、前記冷却水が通流する冷却水流路に中性化学種を水に溶かしてなる薬液を注入する薬液注入装置の前記薬液の注入流路が、前記冷却水流路の、該冷却水流路に設けられた陰イオン交換樹脂を含む脱塩装置よりも前記冷却水の通流方向に対して上流側に連結されていることを特徴とする原子力発電プラント。
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