JP4528637B2

JP4528637B2 - 応力腐食割れ緩和方法及びそれに用いる装置

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Publication number: JP4528637B2
Application number: JP2005012222A
Authority: JP
Inventors: 陽一和田; 一成石田; 正彦橘; 元浩会沢; 正俊佐竹
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-01-20
Also published as: JP2006201000A

Description

本発明は、原子炉構造材料の応力腐食割れ（以下「ＳＣＣ」という。）緩和方法及びそれに用いる装置に係り、特に、沸騰水型原子炉（以下「ＢＷＲ」という。）の炉内構造物のＳＣＣを緩和するのに好適な応力腐食割れ緩和方法及びそれに用いる装置に関する。

原子炉構造材料（ステンレス鋼及びニッケル基合金等）におけるＳＣＣの発生は、材料等の改善により原子炉の実用化初期に比べて、はるかに抑制されており、今日、原子炉の安全性および信頼性は格段に向上している。しかしながら、今以上に、ＳＣＣの発生及び進展を抑制して原子炉をより安心できるものにするため、絶えず技術革新が行われている。

沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor，ＢＷＲ) において、プラント稼働率向上の観点から、炉内構造物や圧力境界を構成する構造材料（３０４ステンレス鋼，３１６Ｌステンレス鋼，ニッケル基合金等）のＳＣＣを抑制することは、今もなお重要な課題となっている。ＳＣＣは、材料，応力，環境の３因子が重畳したときに起こると考えられている。従って、３因子の内、少なくとも１因子を緩和することによりＳＣＣを抑制することができる。

原子力発電プラント運転中、炉心の強いガンマ線及び中性子線により、原子炉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を構成する構造材料は、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。高温（本発明では１００℃以上を高温とし、定格出力運転時の炉心出口温度は２８８℃である。）の原子炉冷却水に曝されることとなる。図２に、ＳＣＣにおけるき裂進展速度(Crack Growth Rate，ＣＧＲ) と腐食電位(Electrochemical corrosion potential，ＥＣＰ) の関係を表す。図２から、
ＥＣＰが低下するとＣＧＲが減少することがわかる。図３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（Type 304 stainless steel，３０４ＳＳ）のＥＣＰとの関係を測定した結果を示す。酸素も過酸化水素も濃度の減少に伴いＥＣＰが小さくなる。従って、原子炉冷却水に曝された構造材料の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。

この課題に対する従来技術の一つとして、炉水に水素を添加する技術（以下「水素注入」という。）がある。水素注入は、ＢＷＲでは給水系に水素を加圧注入することで給水に水素を溶存させ、この水素を含む給水を原子炉内に導くことにより行われる。ここで、水素注入に伴う再結合反応について説明する。原子炉内の炉水に水素が添加されると、原子炉内の炉心を取囲むダウンカマ部で、水素が酸素及び過酸化水素と再結合する。この再結合反応は、放射線照射の作用により生成するＯＨ等の反応性に富むラジカル種が、触媒のように作用することにより速やかに進行する。この再結合反応により、炉水中での酸素及び過酸化水素の濃度は低下する。酸素及び過酸化水素の濃度が低下することにより、原子炉構造材の腐食電位（ＥＣＰ）も低下する。水素注入は、注入した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。しかしながら、高濃度の水素注入を行うと、水分子を構成する酸素が中性子と核反応することで生じる高エネルギーのγ線を放出する放射性窒素１６（Ｎ−１６）が蒸気中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ある。

したがって、Ｎ−１６による副作用を生じない水素濃度範囲で腐食電位を低減することが望まれている。水素注入効果の向上に関する従来技術として、貴金属の水素の反応に対する触媒性を利用して腐食電位を下げるものがある（特許文献１−５参照）。

特許第２８１８９４３号公報特開平１０−３１９１８１号公報ＰＣＴ／ＪＰ９７／０３５０２特願平６−２６４７６号特願平６−２６４７６３号

従来技術のように、材料表面に触媒を付着させることにより腐食電位を低減させる方法では、炉内の材料表面に付着した触媒の量，分布を適切に評価することが必要である。このため、米国プラントでは、炉内での付着量を掻き取りすることが実施されている。これは、炉内を広く調べる必要があり、時間やコストがかかる。

そこで、発明者らは、水素注入に加えてヒドラジンなどの強い還元力を持った窒素化合物（以下「還元性窒素化合物」という。）を注入し、炉内で発生した酸素及び過酸化水素と還元性窒素化合物を反応させて水と窒素にすることにより、炉水の酸素および過酸化水素濃度を効率的に低減し、腐食電位を下げる技術について検討した。以下にその検討結果を説明する。

まず、ヒドラジン注入について検討した。図４は、水素注入を０.４ppm実施したときに、還元性窒素化合物としてヒドラジンを同時に注入したときの原子炉底部の腐食電位を解析した結果である。ヒドラジンがないときは、腐食電位は＋１００ｍＶvsＳＨＥを超えており、ＳＣＣにとって厳しい条件となっている。しかし、ヒドラジンを給水系に０.８ppm程度の濃度で添加すると、炉底部の腐食電位は−１００ｍＶvsＳＨＥにまで低下し、さらに注入量を増やすと、−４００ｍＶvsＳＨＥ以上に低下する。したがって、水素注入とヒドラジンの添加を組み合わせて炉水に注入することにより、炉内構造物や配管のＳＣＣを抑制させることができる。

ところで、このようにＢＷＲの炉水に水素と共にヒドラジンのような還元性の窒素化合物を添加して、炉水中の酸化剤（酸素あるいは過酸化水素）を除去することで腐食電位を低下しＳＣＣを防止する場合、還元性窒素化合物が炉水に存在する酸素や過酸化水素を消費し水を生成するときに、副生成物として窒素やアンモニアが生成する。これは、見かけ上、（化１），（化２）のように反応する。

Ｎ₂Ｈ₄＋Ｏ₂＝Ｎ₂＋２Ｈ₂Ｏ …（化１）
Ｎ₂Ｈ₄＋２Ｈ₂Ｏ₂＝Ｎ₂＋４Ｈ₂Ｏ …（化２）
同時に、図５に示すように、酸素や過酸化水素などの酸化剤に対して、モル量で表したときに過剰となったヒドラジンが放射線により分解されて、アンモニアが生成する。この反応は複雑な反応過程が関与するが、図５の関係は見かけ上（化３）として表される。

３Ｎ₂Ｈ₄→２ＮＨ₃＋２Ｎ₂＋３Ｈ₂ …（化３）
したがって、ヒドラジンを添加することによって、水素と酸素および過酸化水素の反応
２Ｈ₂＋Ｏ₂＝２Ｈ₂Ｏ …（化４）
Ｈ₂＋Ｈ₂Ｏ₂＝２Ｈ₂Ｏ …（化５）
が進行するのと合わせて、酸素と過酸化水素が消費される。その結果、酸素や過酸化水素の濃度が低下し、図３に示すように、腐食電位が低下する。これによって、図２で示す腐食電位とＳＣＣのき裂進展速度の関係からＳＣＣが抑制される。

また、ヒドラジンをできるだけ少なく炉水に添加することが、窒素やアンモニアの生成を抑制するために好ましい。また、純度の高いヒドラジンは価格も高いことから、使用量をできるだけ減らすことが、運転コストを低く押さえる上で好ましい。

ところで、水素と同時に炉水に添加しヒドラジンの使用量をできるだけ減らした運転をする場合、水素注入装置の停止などによって水素が注入されていない期間が生じ、少量のヒドラジンのみが炉水に添加される場合が考えられる。このとき、（化１）〜（化３）の反応で生成した、窒素やアンモニアは、まだ酸素や過酸化水素の濃度が低減していない状態で炉水中に存在することになる。窒素やアンモニアは、大部分が炉心で炉水の沸騰によって生じた蒸気に移行して、原子炉内から排出されるが、一部は炉水に留まることになる。このとき、酸素や過酸化水素あるいは放射線の作用によって生成する酸化性のラジカルによって、窒素やアンモニアから硝酸や亜硝酸が生成することが考えられる。硝酸や亜硝酸の生成は、イオン導電率の値の大きな水素イオン濃度を高めるので、ｐＨの低下と共に導電率の上昇を伴う。したがって、原子炉の水質管理上はできるだけ濃度を低く維持することが好ましい。

つまり、ヒドラジンと酸素や過酸化水素との反応によって生成するアンモニアのような窒素化合物が炉水でさらに酸化されたときに生成する硝酸や亜硝酸の濃度をできるだけ少なくして、ヒドラジンによる応力腐食割れの抑制効果を最大に引き出すことが、原子力プラント炉内構造物のＳＣＣを緩和するために重要となる。

本発明の目的は、原子炉構造材料の腐食電位を低下させてＳＣＣを緩和するのに好適な応力腐食割れ緩和方法及びそれに用いる装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、二つ以上の還元剤が注入される沸騰水型原子炉において、還元剤を注入する装置が、還元剤の注入状態を示す信号を発信する機能と、他の還元剤を注入する装置から発信された還元剤の注入状態を示す信号を受信する機能とを、どちらか一方、または二つとも備えている還元剤注入装置を用いることである。

これを水素注入の場合に当てはめると、好ましくは、沸騰水型原子炉の炉水に水素を添加するための水素注入装置の運転状態を表す信号を受信する機能と、受信した信号に基づいて原子炉の炉水にヒドラジンなどの還元剤を添加する機能とを有した還元剤注入装置を用いることである。

これによって、水素注入装置の停止している期間や、水素注入量の少ない期間にヒドラジンなどの還元剤を炉水に添加することを停止することができる。ヒドラジン注入に伴う原子炉水の水質変化の影響が著しく小さくなるために応力腐食割れの抑制効果が高まる。特に、水素の併用は、ヒドラジン等の還元性窒素化合物の使用量を減らせるコスト上の利点だけでなく、図５に示したアンモニアなどの還元性窒素化合物の分解生成物の量を減らせることにつながるのみならず、アンモニアなどの生成物をより水質への影響の大きな硝酸や亜硝酸への酸化されることを抑制できるメリットもある。

本願の還元剤注入装置の運転方法の特徴は、水素注入をしている沸騰水型原子炉において、炉水水素濃度が４０ppb 以上のときに、水素注入装置から所定の濃度になったことを示す信号を発し、水素と異なる一つ以上の還元剤、例えばヒドラジンの注入装置がこの信号を受信し、ヒドラジンの注入を開始することである。これによって、炉水の十分な水素によって生成したアンモニアが硝酸および亜硝酸に添加することが抑制されて、応力腐食割れの抑制効果が高まる。

原子炉炉水での硝酸などの挙動は、H. Takiguchi，“Results of HWC Mini Test at
Tsuruga-1”，Proceedings of Seminor on water chemistry of nuclear reactor
systems'97，April, 22-23, 1997, Lungtan, Taiwan ROC，p.47，CHNS，(1997)に報告されており、炉水水素濃度が４０ppb を超えた付近で、硝酸濃度が著しく低下していた。したがって、水素注入とヒドラジン注入を組み合わせれば、硝酸の生成もアンモニアの生成もどちらも同時に抑制できる。

水素注入に加えて、ヒドラジンなどの強い還元力を持った還元剤を炉水に注入し、炉内で発生した酸素及び過酸化水素を還元剤と反応させて、炉水の酸素および過酸化水素濃度を効率的に低減し、腐食電位を低下させて応力腐食割れを抑制するときに、水素注入装置の停止している期間や、水素注入量の少ない期間にヒドラジンなどの還元剤を炉水に添加することを停止することができる。

この結果、ヒドラジン注入に伴う原子炉水の水質変化の影響が著しく小さくなるために応力腐食割れの抑制効果が高まる。特に、水素とヒドラジン等の還元性窒素化合物の併用は、コスト上の利点だけでなく、水質への影響の大きな硝酸や亜硝酸の生成量を抑制できる。

好ましくは、還元剤注入装置が、水素注入装置または他の還元剤を注入する装置と、直接的にまたは他の制御装置を介して間接的に、制御信号伝達系で相互に接続されていることが望ましい。還元剤注入装置は相互に直接信号の授受をしてもよいし、一度、例えば原子炉の中央制御装置などの制御システムに信号を送信し、制御システムがこの信号に基づいて他の還元剤注入装置に動作の指示を発信する仕組みとしてもよい。これによって各還元剤注入装置を連携して制御することが可能となり、一つ以上の種類の還元剤を注入したり、複数箇所からの還元剤の注入を同期させたり、タイミングを制御したりすることで、応力腐食割れの抑制効果を高めることが可能となる。

好ましくは、炉水に添加する還元剤は、水素，ヒドラジン，カーボヒドラジドなどの還元性窒素化合物、メタノール，エタノールなどのアルコール類、メタン，エタンなどの炭化水素から選ばれることが望ましい。これらの化合物は還元性が高く、炉水中の酸素や過酸化水素との反応性に富むために、応力腐食割れの抑制効果が高まる。

好ましくは、水素注入をしている沸騰水型原子炉において、炉水の硝酸濃度が水素を注入しないときの１／２以下となる水素注入量で、水素と異なる一つ以上の還元剤を注入することが望ましい。これによって、硝酸および亜硝酸の濃度を低減することが可能となり、応力腐食割れの抑制効果が高まる。

好ましくは、還元剤は、給水系，復水系，再循環系，炉水浄化系の中から選ばれた一つ以上の点から注入されることが望ましい。系統圧力の関係から、水素は復水昇圧ポンプの吸い込み側から注入するのが効率的である。また、原子炉の起動運転や停止運転時には、給水系が動いていないので、常時運転可能な炉浄化系を用いることが望ましい。運転中にヒドラジンなどの還元性窒素化合物を炉水に添加することができる系統としては、給水系，炉浄化系，再循環系，制御棒駆動水系の中から選ばれた少なくとも一つ以上の箇所が好ましい。これによって、環境が緩和され応力腐食割れが抑制される。

水素注入をしているＢＷＲに本発明を適用し、還元剤としてヒドラジンを用いる場合の、還元剤注入装置の実施例を、図１を用いて説明する。

ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２は、以下のように構成される。ヒドラジン薬液は薬液タンク２０５ａに貯蔵される。ヒドラジン薬液は注入流量を流量計２０３でモニタしながら、注入ポンプ２０２によって、原子炉冷却水浄化系配管１１０に注入される。

注入ポンプ２０２と原子炉冷却水浄化系配管１１０の間には、逆止弁２０１ａ，201ｂを二重に設置して、さらにバルブ２００を設けて、万が一にも注入装置の不具合による炉水の漏洩を防止する。薬液タンク２０５ａ，２０５ｂは気密構造とし、薬液タンク内部から外部への高濃度のヒドラジンや過酸化水素が気化漏洩しないように設計されている。内部が負圧になったときには外部から大気が入るように弁２０６ａ，２０６ｂを設置する。

薬液タンク内の残量が少なくなったとき、あらかじめ準備してあった薬液タンク205ｂに切り替える。切り替えはバルブ２０４ａを閉じて、バルブ２０４ｂを開くことで行う。空になった薬液タンク２０５ａには、還元剤原液タンク３０６からヒドラジンの原液が還元剤移送ポンプ３０７を作動することによって供給され、メイクアップ水系につながれた注入装置給水配管３０５から給水することで所定の濃度に希釈される。

注入ポンプ２０２は注入装置制御系３０４で制御される。注入装置制御系３０４には制御信号送受信器３０２が接続されている。給水水素濃度が所定の濃度であるとき、水素注入装置１１９が動作して、水素注入装置１１９の状態を示す信号が制御信号伝達系303ｂを介して中央制御室の中央制御盤３０８に伝えられる。中央制御盤３０８は還元剤注入装置全体を監視制御している。この信号に基づいて、中央制御盤３０８は、制御信号伝達系３０３ａを介して、ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２に作動を指示する信号を発する。ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２の制御信号送受信器３０２がこの信号を受けると、注入装置制御系３０４によって注入ポンプ２０２が動作を始め、ヒドラジンが原子炉冷却水浄化系配管１１０に注入される。ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２に異常が発生して停止したり、手動で停止させた場合、制御信号送受信器
３０２が注入の停止を表す信号を中央制御盤３０８に発信し、その信号に基づいて中央制御盤３０８は、水素注入装置１１９を停止させたり注入量を増加させるなどの信号を、予め設定した場合分けにもとづいて水素注入装置１１９に発信する。

水素注入をしているＢＷＲに本発明を適用し、還元剤としてヒドラジンを用いる場合の、還元剤注入装置の別の実施例を、図６を用いて説明する。ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２の構成は第一の実施例と同じである。

注入ポンプ２０２は注入装置制御系３０４で制御される。注入装置制御系３０４には制御信号送受信器３０２が接続されている。給水水素濃度が所定の濃度であるとき、水素注入装置１１９が動作して、水素注入装置１１９の状態を示す信号が制御信号伝達系303ｂを介して、直接ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２に作動を指示する信号を発する。ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２の制御信号送受信器３０２がこの信号を受けると、注入装置制御系３０４によって注入ポンプ２０２が動作を始め、ヒドラジンが原子炉冷却水浄化系配管１１０に注入される。ヒドラジン注入装置(還元剤注入装置)１２２に異常が発生して停止したり、手動で停止させた場合、制御信号送受信器３０２が注入停止の信号を制御信号伝達系３０３ａを介して中央制御盤３０８に発信し、中央制御盤３０８にヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２の状態が表示される。

ＢＷＲに本発明を適用するときの、複数の還元剤の注入に関わるシステム構成の実施例を、図７を使って説明する。

ＢＷＲは、復水ろ過脱塩器１０３で高純度にした水を、復水ポンプ１２３ｂで給水加熱器１０５ａに送ることにより加熱し、さらに給水ポンプ１０４で昇圧した後、給水加熱器１０５ｂで約２２０℃まで昇温して原子炉圧力容器１０１に供給する。

原子炉圧力容器１０１に供給された水（給水）は、給水スパージャ１２５を通して炉水に混合される。原子炉圧力容器１０１を流れ降りた炉水は、原子炉冷却水再循環系配管
１１６ａ，１１６ｂに入り、原子炉冷却水再循環ポンプ１０７ａ，１０７ｂによって駆動され、ジェットポンプ１１５ａ，１１５ｂの作動流体となって、炉水を巻き込みながら、原子炉圧力容器１０１の下部に流れ込む。

さらに、炉水は炉心１２８に入り、核燃料によって加熱され、蒸気を生成する。蒸気は主蒸気配管１１４を通った後、タービン１０２を駆動する。タービン１０２の回転によってエネルギーを失った蒸気は復水冷却器１１３によって凝縮され、復水となる。このとき、一部の非凝縮性の成分はオフガス系１２１で処理される。復水は、復水ポンプ１２３ａで復水ろ過脱塩器１０３に送水され、再びタービン１０２を駆動するための蒸気を作るために使用される。

ＢＷＲを運転中の炉水は、原子炉冷却水浄化系ポンプ１０９によって、原子炉冷却水浄化系配管１１０に設置された原子炉冷却水ろ過脱塩器１１２に送水され、浄化される。このとき、原子炉冷却水ろ過脱塩器１１２には、樹脂が用いられているため、炉水は原子炉冷却水浄化系熱交換器１１１ａ，１１１ｂによって温度を下げる。浄化された炉水は給水系配管１０６に送られ、原子炉圧力容器１０１内に戻される。

給水系配管１０６を流れる給水の水質は水質モニタ１１７ａで測定される。原子炉圧力容器下部の炉水の水質はボトムドレン配管１０８を通してサンプリングされ、水質モニタ１１７ｃで測定される。また、原子炉冷却水浄化系配管１１０の水質は水質モニタ117ｂで測定される。これらの水質モニタ１１７ａ,１１７ｂ,１１７ｃは溶存酸素計，溶存水素系，導電率計，ｐＨ計から構成される。これらの水質モニタ１１７ａ,１１７ｂ,１１７ｃ点でサンプリングされた炉水のアンモニア濃度を測定して、ヒドラジンの注入量について制御をかけることもできる。また、これらの点で、ヒドラジンの濃度を手分析あるいはヒドラジン濃度センサを使って測定してもよい。

酸素注入は、酸素注入装置１２６を復水ポンプ１２３ｂより上流の圧力の低いところに接続して実施する。３０〜５０ppb の給水濃度で運転する。

水素注入は、水素注入装置１１９を復水ポンプ１２３ｂより上流の圧力の低いところに接続すると比較的低圧で系統を構成できるメリットがある。水素の注入量の制御は、給水流量に追従させて水素流量調整弁１２０の開度を調整することにより行う。これにより、給水への水素流量を一定に保つことができる。水素注入時の給水の水素濃度は水質モニタ１１７ａ、炉水の水質は水質モニタ１１７ｂ，１１７ｃで監視する。加えて、ボトムドレン配管１０８に腐食電位センサ１２４ａを設置することで、腐食電位が目標まで低下することを確認できる。腐食電位センサ１２４ａは、原子炉冷却水再循環系配管１１６ａ，
１１６ｂにフランジなどを用いて設置してもよいし、炉心１２８や原子炉圧力容器１０１の下部に中性子計装管を利用して設置してもよい。本実施例では、硝酸濃度が大きく低下する炉水水素濃度が４０ppb 以上を注入量に設定する。主蒸気系線量率は、主蒸気配管線量率モニタ１１８で監視する。

本実施例では、還元性窒素化合物としてヒドラジンを使用し、ヒドラジン注入装置122を原子炉冷却水浄化系熱交換器１１１ａと給水配管１０６との間の原子炉冷却水浄化系配管１１０に接続する。原子炉冷却水浄化系を使用すると、この系統は、原子炉の運転サイクルおよび停止時のいずれにおいても作動できるので、給水系の作動していない、原子炉起動時や停止操作時にも還元性窒素化合物を炉水に注入することができる。したがって、起動時や停止操作時には、この系統から水素の注入を給水系の水素注入装置の補助として実施してもよい。例えば、このとき原子炉冷却水浄化系の流量が１２０ｔ／ｈであったとする。ヒドラジンを一水和物の６０％溶液を１０Ｌ／ｈ程度で注入すると、原子炉冷却水浄化系でのヒドラジン濃度は４０ppm、給水系では０.７ppmとなる。

水素注入装置１１９、およびヒドラジン注入装置１２２は、制御信号伝達系３０３ａ，３０３ｂを介して還元剤注入装置全体を監視制御する中央制御盤３０８で監視制御される。水素注入装置１１９が動作して、炉水水素濃度が４０ppb 以上となるように給水水素濃度が制御されているとき、水素注入装置１１９の状態を示す信号が制御信号伝達系303ｂを介して中央制御盤３０８に伝えられる。この信号に基づいて、中央制御盤３０８は、制御信号伝達系３０３ａを介して、ヒドラジン注入装置１２２に作動を指示する信号を発する。この信号に基づいて、ヒドラジン注入装置１２２からヒドラジンが原子炉冷却水浄化系配管１１０に注入され、炉水に添加される。水素注入装置１１９やヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２に異常が発生して停止したり、手動で停止させた場合、装置の停止を表す制御信号が中央制御盤３０８に発信される。中央制御盤３０８は、その信号に基づいて、他の還元剤注入装置を停止させたり、注入量を増加させるなどの信号を他の還元剤注入装置に送信することにより制御する。

ＢＷＲに本発明を適用するときの、複数の還元剤の注入に関わるシステム構成の別の実施例を、図７を用いて説明する。ＢＷＲのシステムおよびヒドラジンと水素の注入は実施例１と同じである。

本実施例では、複数の還元剤を注入する例として、メタノール注入をするためにメタノール注入装置３０１を復水ポンプ１２３ｂより上流の圧力の低いところに接続した。水素注入装置１１９，メタノール注入装置３０１およびヒドラジン注入装置１２２は、制御信号伝達系３０３ａ，３０３ｂ，３０３ｃを介して、中央制御室に設置された還元剤注入装置全体を監視制御する中央制御盤３０８で監視制御される。水素注入装置１１９が動作して、炉水水素濃度が４０ppb 以上となるように給水水素濃度が制御されているとき、水素注入装置１１９の状態を示す信号が制御信号伝達系３０３ｂを介して中央制御盤３０８に伝えられる。この信号に基づいて、中央制御盤３０８は、制御信号伝達系３０３ａを介して、ヒドラジン注入装置１２２に作動を指示する信号を発する。この信号に基づいて、ヒドラジン注入装置１２２からヒドラジンが原子炉冷却水浄化系配管１１０に注入され、炉水に添加される。また、中央制御盤３０８は、制御信号伝達系３０３ｃを介して、メタノール注入装置３０１に作動を指示する信号も発する。この信号に基づいて、メタノール注入装置３０１からメタノールが復水を通じて給水に注入され、炉水に添加される。水素注入装置１１９，ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）１２２あるいはメタノール注入装置３０１に異常が発生して停止したり、手動で停止させた場合、装置の停止を表す制御信号が中央制御盤３０８に発信される。中央制御盤３０８は、その信号に基づいて、他の還元剤注入装置を停止させたり、注入量を増加させるなどの信号を他の還元剤注入装置に送信することにより制御する。

本実施例では、メタノールを水素とヒドラジンに追加して注入している。ヒドラジンの使用量を減らし、コストと窒素化合物の生成量を抑えることができる利点がある。

注入制御の方法に関する実施例を説明する。図９に示すように、一つの運転サイクルにおいて、起動モードにより起動運転を始めた原子炉は、定格出力に到達する。ここまでを起動運転時と呼ぶ。その後、大部分の期間を定格出力で運転する。この期間を定格運転時と呼ぶ。定格出力で運転していた原子炉を停止するには、停止操作に切り替え、炉水の循環流量を下げ、また制御棒を挿入して出力を下げる。発電機を解列し、温度と圧力を降下する。１５０℃以下で残留熱除去系を作動し、１００℃以下に炉水温度を下げ、停止モードに切り替える。ここまでを停止運転時と呼び、以降を原子炉の停止時と呼ぶ。

還元剤の注入では、まず水素を注入する。水素は、給水系の作動と、注入点の圧力の関係から、原子炉出力が定格出力の５０％から水素を注入する場合や、定格の１００％に到達してから注入開始する場合がある。プラントによっては、制御棒引き抜き前に水素を添加し、炉水温度が定格に到達するまでの期間注入される起動時水素注入を実施し、ここで一度起動時水素注入を停止し、原子炉出力が定格の５０％や１００％といった状態になって再び水素を注入する場合もある。

ここでは、原子炉出力が定格の６０％で水素を注入開始する。炉水水素濃度が次第に増加し、４０ppb に達した時点でヒドラジンの注入を開始する。水素はそのまま、主蒸気系線量が上昇開始する直前の濃度まで増加させる。ヒドラジンは腐食電位の低下を確認して予め設定した濃度まで注入する。この状態で定格出力運転をする。運転中、制御棒の切り替えなどの時期に水素濃度を低下させるときは、ヒドラジンの濃度も合わせて低下または、注入を停止するように制御する。炉を停止する場合は、ヒドラジンの注入をやめ、ついで水素の注入濃度を低下させ、水素の注入を停止して、その後、炉の運転を停止する。

注入制御の方法に関する別の実施例を説明する。図１０に示すように、一つの運転サイクルの説明は図９と同じである。

還元剤の注入では、まず水素を注入する。ここでは、原子炉出力が定格の６０％で水素の注入を開始する。炉水水素濃度が次第に増加し、４０ppb に達した時点でヒドラジンの注入を開始する。水素はそのまま、主蒸気系線量が上昇開始する直前の濃度まで増加させる。ヒドラジンは腐食電位の低下を確認して予め設定した濃度まで注入する。ついでメタノールを注入し、腐食電位が目標値まで低下していることを確認しながら、ヒドラジンを減らし、メタノールを増加させる。この状態で定格出力運転をする。運転中、制御棒の切り替えなどの時期に水素濃度を低下させるときは、ヒドラジンおよびメタノールの濃度も合わせて低下または、注入を停止するように制御する。炉を停止する場合は、メタノール，ヒドラジンの注入を順次やめ、ついで水素の注入濃度を低下させ、水素の注入を停止して、その後、炉の運転を停止する。

ＢＷＲでの還元剤注入装置の第一の実施例。２８８℃高温水中での３０４型ステンレス鋼の腐食電位とき裂進展速度の関係。２８０℃高温水中に過酸化水素を添加した場合の３０４型ステンレス鋼の腐食電位と過酸化水素添加濃度依存性。水素注入とヒドラジン注入を併用したときの効果の解析結果。ガンマ線照射時のヒドラジン濃度と生成アンモニア濃度の関係。ＢＷＲに本発明を適用するときの、複数の還元剤の注入に関わるシステム構成の実施例。ＢＷＲに本発明を適用するときの、複数の還元剤の注入に関わるシステム構成の別の実施例。ヒドラジン注入装置の実施例。ＢＷＲに水素とヒドラジンを注入するときの工程の実施例。ＢＷＲに水素，ヒドラジンおよびメタノールを注入するときの工程の実施例。

符号の説明

１０１…原子炉圧力容器、１０２…タービン、１０３…復水ろ過脱塩器、１０４…給水ポンプ、１０５ａ，１０５ｂ…給水加熱器、１０６…給水系配管、１０７ａ，１０７ｂ…原子炉冷却水再循環ポンプ、１０８…ボトムドレン配管、１０９…原子炉冷却水浄化系ポンプ、１１０…原子炉冷却水浄化系配管、１１１ａ，１１１ｂ…原子炉冷却水浄化系熱交換器、１１２…原子炉冷却水ろ過脱塩器、１１３…復水冷却器、１１４…主蒸気配管、
１１５…ジェットポンプ、１１６ａ，１１６ｂ…原子炉冷却水再循環系配管、１１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ…水質モニタ、１１８…主蒸気配管線量率モニタ、１１９…水素注入装置、１２０…水素流量調整弁、１２１…オフガス系、１２２…ヒドラジン注入装置（還元剤注入装置）、１２３ａ，１２３ｂ…復水ポンプ、１２４ａ，１２４ｂ…腐食電位センサ、１２５…給水スパージャ、１２６…酸素注入装置、１２８…炉心、１２９…制御棒駆動装置冷却水系、１３０…復水貯蔵タンク、１３１…原子炉冷却水再循環系配管サンプリングライン、２００，２０４ａ，２０４ｂ，…バルブ、２０１ａ，２０１ｂ…逆止弁、
２０２…注入ポンプ、２０３ａ，２０３ｂ…流量計、２０５ａ，２０５ｂ…薬液タンク、３０１…メタノール注入装置、３０２…制御信号送受信器、３０３ａ,３０３ｂ,３０３ｃ…制御信号伝達系、３０４…注入装置制御系、３０５…注入装置給水配管、３０６…還元剤原液タンク、３０７…還元剤移送ポンプ、３０８…中央制御盤。

Claims

二つ以上の還元剤が注入される沸騰水型原子炉において、
前記還元剤を注入する装置が、
前記還元剤の注入状態を示す信号を発信する機能と、他の還元剤を注入する装置から発信された還元剤の注入状態を示す信号を受信する機能とを、どちらか一方、または二つとも備えていることを特徴とする還元剤注入装置。
沸騰水型原子炉の炉水に水素を添加するための水素注入装置の運転状態を表す信号を受信する機能と、
前記水素注入装置の運転状態を表す信号に基づいて前記沸騰水型原子炉に還元剤を添加する機能を有することを特徴とする還元剤注入装置。
請求項１又は２において、
前記還元剤注入装置が、
前記水素注入装置または前記他の還元剤を注入する装置と、直接的にまたは他の制御装置を介して間接的に、制御信号伝達系で相互に接続されていることを特徴とする還元剤注入装置。
請求項１乃至３の何れかにおいて、
前記還元剤は、水素，ヒドラジン，カーボヒドラジドなどの還元性窒素化合物、メタノール，エタノールなどのアルコール類、メタン，エタンなどの炭化水素から選ばれることを特徴とする還元剤注入装置。
水素注入をしている沸騰水型原子炉において、
炉水水素濃度が４０ppb 以上のときに、水素と異なる一つ以上の還元剤を注入することを特徴とする還元剤注入方法。
水素注入をしている沸騰水型原子炉において、
炉水の硝酸濃度が水素を注入しないときの１／２以下となる水素注入量で、水素と異なる一つ以上の還元剤を注入することを特徴とする還元剤注入方法。
請求項５又は６において、
前記還元剤は、ヒドラジン，カーボヒドラジドなどの還元性窒素化合物、メタノール，エタノールなどのアルコール類、メタン，エタンなどの炭化水素から選ばれることを特徴とする還元剤注入方法。
請求項５乃至７の何れかにおいて、
前記還元剤は、給水系，復水系，再循環系，炉水浄化系の中から選ばれた一つ以上の点から注入されることを特徴とする還元剤注入方法。