JP4799077B2 - 炉水浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の冷却材である炉水を浄化する炉水浄化装置に関する。

炉水中には原子炉構造物の腐食生成物や放射線分解生成物が含まれる。また、混入物として鉄、コバルト、塩素等の化合物やイオンが微量に含まれており、常時これらの不純物を除去することによって炉水の浄化運用を行っている。現状は、多くの原子力発電所が脱塩処理にイオン交換樹脂を用いているが、炉水２８０℃に対してイオン交換樹脂の耐熱温度は６０℃以下と低く、このため、炉水を脱塩処理の前に冷却する工程が必要となっている。これに伴う熱エネルギーの損失は膨大で、例えば１００ＭＷユニットで約４．１ＭＷとされている。このため、例えば下記特許文献１にあるように、耐熱性の高いイオン交換樹脂の開発などが進められている。

前記のように炉水浄化のためのイオン成分除去工程においては、その運用温度域に合せた、炉水浄化前の炉水の冷却操作、および炉水浄化後の加熱操作が必要である。このイオン成分除去工程での温度操作は、原子力発電プラントの熱出力を低下させる原因のひとつとなっている。このことから、炉水浄化においては、原子炉中の炉水温度により近い温度域での運用が望ましい。

また、イオン成分除去工程で使用されるイオン交換樹脂は一定期間毎に交換されるが、このイオン交換樹脂は高放射線環境にある原子炉水の浄化に使用されるので、放射性廃棄物となる。そのため、廃棄物発生量の減容の観点からも長期間運用可能な材料の利用が求められている。例えば特許文献２のように、廃イオン交換樹脂の減容方法が考案されている。

イオン交換樹脂を使用しない脱塩方法として、例えば電気透析法がある。一般に電気透析法では、被処理水をイオン交換膜で隔てた電場中を透過させる際に、イオン交換膜と電場の極性に応じてイオンの移動を促進させることにより、被処理水中のイオン除去を行う。原子力プラントでの脱塩処理工程に対する電気透析脱塩適用に関しては例えば特許文献３などがある。

電気透析法を原子力プラントへ適用する上での課題として、使用されるイオン交換膜は一般に有機高分子膜であり、高温環境での耐久性が低いことから、イオン交換膜交換に伴う廃棄物発生量低減は困難である点がある。

電気透析を高温環境で運用する原子力プラントでの電気透析脱塩に関しては、例えば特許文献４に記載されており、導電性セラミックスフィルタを両極に用いて電気透析脱塩を行う方法が考案されている。ところが、導電性セラミックスは高価である他、炉水浄化の脱塩に使用するためには、その脱塩工程が高温・高圧に耐える脱塩装置構造である必要がある。耐圧容器としてはステンレス系合金等の金属系容器が使用されるため、その内部に被処理水の脱塩部と濃縮部を隔てる隔膜として配置される構造部材は、容器を構成する材料と近い熱膨張特性を有する素材で構成されることが望ましく、セラミックス系材料を使用した場合、起動時や高温運用時に脱塩部と濃縮部の隔離性が損なわれる可能性がある。
特開２００３−８８８１５号公報 特開平１０−２７９７２６号公報 特開平１１−２３７４９５号公報 特開平３−２３２５２１号公報

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、運用時の熱損失が少なく廃却時の廃棄物量の少ない炉水浄化装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、原子炉に炉水配管を通して接続され前記原子炉の冷却材である炉水をろ過するろ過装置と、前記ろ過装置に接続され前記ろ過装置でろ過された炉水を脱塩処理する脱塩装置と、この脱塩装置で脱塩された炉水を前記原子炉に戻す脱塩水配管と、前記脱塩装置に電圧を印加する電源装置とを備え、前記脱塩装置は、炉水を導入する筐体内に設けられ前記電源装置に接続される電極と、微細孔を有するチタンまたはステンレス鋼からなり前記電極の間に設けられた隔膜と、前記電極と前記隔膜の間に形成されイオン濃度の高い炉水を貯留する濃縮水室と、前記隔膜の相互間に形成されイオン濃度の低い炉水を貯留する脱塩水室とを備え、前記ろ過装置内に設けられるフィルターは耐熱性材料で構成され、このフィルターはフッ素樹脂膜またはニッケル基合金製繊維焼結シートから構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、運用時の熱損失が少なく廃却時の廃棄物量の少ない炉水浄化装置を提供することができる。

以下、本発明に係る炉水浄化装置の第１ないし第５の実施の形態について、図面を参照して説明する。尚、これらの実施の形態は、本発明の範囲を限定するものではない。

（第１の実施の形態）
図１は本実施の形態の炉水浄化装置の構成と流体の流れを示す。原子炉１には主蒸気配管２および復水配管１８によってタービン３と復水器５が接続され、タービン３には発電機４が同軸で接続されている。また原子炉１には炉水配管１０および脱塩水配管１２によってろ過装置１４と脱塩装置６が接続されている。

原子炉１の炉水は炉水配管１０を通してろ過装置１４に供給される。炉水に含まれる固形分は、脱塩装置６の入口側に接続されたろ過装置１４によって除去される。ろ過装置１４には炉水固形分除去が可能な技術を適用し、適用技術の運用温度範囲に応じて適宜熱交換器等を設置する。ろ過装置１４において固形分が除去された炉水は脱塩装置６に導かれる。脱塩装置６で脱塩（脱イオン）された炉水は脱塩水配管１２を通して原子炉１に戻される。

脱塩装置６には、電圧印加用の電源装置７が接続され、電極８ａ，８ｂと炉水の流入経路と、電極８ａ，８ｂと脱塩水室１１を隔てる隔膜９ａ，９ｂと、脱塩水室１１から排出され原子炉１へ返送される脱塩水の排出経路２０と、隔膜９ａ，９ｂを介して炉水のイオン成分が濃縮される濃縮水室１５ａ，１５ｂ、および濃縮水の排出経路２１を有する。

脱塩装置６は原子炉１に対し１台もしくは複数台設けられており、原子炉１の温度、圧力と同等の運用が可能な容器とするか、または原子炉１の温度、圧力と同等の運用が可能な容器内に格納されることが望ましい。また、脱塩装置６の筐体と、電極８ａ，８ｂ、隔膜９ａ，９ｂは、電気的に絶縁する。電極８ａ，８ｂは、脱塩処理時に脱塩水に電極８ａ，８ｂの構成成分が溶出しない材質で、脱塩装置６の運用温度、電流電圧域で安定に使用できるものを選定する。

隔膜９ａ，９ｂは、対を成して平行に配置された金属系あるいは合金系の素材からなり、その構成成分が脱塩運用環境で溶出、腐食せず炉水の温度域で安定な素材例えば孔径が０．１〜１００μｍ範囲の微細孔を有するチタン、ステンレス鋼等を用いる。隔膜９ａ，９ｂは平板状の形態とすることで、脱塩装置６内での脱塩水室１１を集積化することが出来る。また隔膜９ａ，９ｂを筒型に同心円状に対を成す形態とした場合、隔膜９ａ，９ｂおよびその他の脱塩装置６内の部品個数が減少するメリットがある。
電源装置７は、電極８ａ，８ｂを通じて脱塩装置６に直流印加を行う機能を有するものであれば形式は問わないが、出力電圧電流は脱塩が運転計画値を満たすよう選定する。

本実施の形態の炉水浄化装置においては、炉水に含まれるイオン成分は、脱塩水室１１内部で、電源装置７に接続された電極８ａ，８ｂによって印加される電位勾配によって脱塩水室１１と接する隔膜９ａ，９ｂを透過して濃縮水室１５ａ，１５ｂへ電気泳動し、イオン濃度の低下した脱塩水は原子炉１へ導かれる。炉水に含有され、脱塩水室１１での電位勾配によって濃縮水室１５ａ，１５ｂ外へ移動したイオン成分は濃縮水取出し配管１３によって脱塩装置６の系外へ排出される。

本実施の形態の炉水浄化装置は、原子炉１の炉水を脱塩装置６により高温環境下で脱塩浄化することができるため熱損失が少なく、効率よく原子力プラントを運用することができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態の炉水浄化装置は、図２に示すように、脱塩装置６が電極８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄと、隔膜９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆと、それらの間に画成された濃縮水室１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆおよび脱塩水室１１ａ，１１ｂ，１１ｃを備えている構成である。

本実施の形態においては、原子炉１の炉水と同等の高温高圧条件で脱塩装置６を運用する際、高温高圧環境となる脱塩装置６の筐体内部に、複数の脱塩水室１１ａ，１１ｂ，１１ｃを設けることで、原子炉１に対する脱塩装置６の台数を減少させ、高温高圧容器となる脱塩装置６の集積化を図ることができる。脱塩装置６の集積化により、原子力プラント構成機器の廃却時の廃棄物量を低減することができる。また本実施の形態によれば、体積効率の高い炉水浄化装置が提供でき、効率よく原子力プラントを運用することができる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態の炉水浄化装置は、図３に示すように、脱塩装置６が電極８ａ，８ｂおよびバイポーラー電極１６ａ，１６ｂと、隔膜９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆと、それらの間に画成された濃縮水室１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆおよび脱塩水室１１ａ，１１ｂ，１１ｃを備えている構成である。

本実施の形態においては、図２に示した脱塩装置６と電源装置７を接続する導線と比べ、図３に示すように、電圧印加用の電極８ａ，８ｂの個数が少ないため導線数が減少するので、高温高圧容器となる脱塩装置６の内部の電圧供給経路構造を簡素化することができる。したがって本実施の形態によれば、電圧供給経路構造を簡素化した体積効率の高い炉水浄化装置が得られ、効率よく原子力プラントを運用することができる。

（第４の実施の形態）
本実施の形態の炉水浄化装置は図４に示すように、ろ過装置１４の処理水の一部を脱塩装置６の濃縮水室１５ａ，１５ｂに導入する経路である濃縮水室洗浄水導入配管１７ａ，１７ｂを設けた構成である。

本実施の形態においては、濃縮水室１５ａ，１５ｂから濃縮水を排出するときに、濃縮水室洗浄水導入配管１７ａ，１７ｂによってろ過装置１４の処理水の一部を導入することにより、濃縮水室１５ａ，１５ｂに蓄積するイオン成分の排出を促進することができる。

なお、濃縮水室１５ａ，１５ｂへ導入する水は、図４に示した炉水以外の系統水を利用してもよいが、電極８ａ，８ｂや隔膜９ａ，９ｂへの物質の付着析出や、脱塩水の水質悪化など、脱塩装置６の能力低下をもたらさない系統水を選択することが望ましい。また濃縮水室洗浄水導入配管１７ａ，１７ｂによって導入する水量は、脱塩水や濃縮水の水質や、電源装置７での電気的パラメータに応じて決定するよう制御する構成とすることが望ましい。
本実施の形態によれば、脱塩装置６にて脱塩・濃縮されたイオン成分を迅速に排出し炉水の水質を維持することができるので、効率よく原子力プラントを運用することができる。

（第５の実施の形態）
本実施の形態においては、図１から図４に示したろ過装置１４のフィルターに耐熱性材料が用いられる。ろ過装置１４に適用するフィルターとして、例えば四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）により中空状またはプリーツ状に形成され、その表面に孔径０．０１μｍ〜０．５μｍの細孔が多数形成されたフッ素樹脂膜や、例えばニッケル基合金製繊維焼結シート等インコネル、インコロイ、ナイモニック、ハステロイ、インコ、ＵＨＭ、カーペンター（いずれも商品名）や耐熱鋼ＳＵＨ６６０等の耐熱ニッケル合金、耐熱ニッケルクロム合金等の孔径が４０μｍ以下の細孔を有する無機・金属系膜を用いることにより高温の炉水をろ過することができ、原子炉１とろ過装置１４の温度差を低減した固形分除去を行うことができる。

本実施の形態によれば、ろ過装置１４と原子炉１の温度差を低減することが出来るため、脱塩装置６と併せ、炉水の浄化において、温度操作を低減することができるため、効率よく原子力プラントを運用することができる。

本発明の第１の実施の形態の炉水浄化装置の構成および流体の流れを示す図。 本発明の第２の実施の形態の炉水浄化装置の構成および流体の流れを示す図。 本発明の第３の実施の形態の炉水浄化装置の構成および流体の流れを示す図。 本発明の第４の実施の形態の炉水浄化装置の構成および流体の流れを示す図。

符号の説明

１…原子炉、２…主蒸気配管、３…タービン、４…発電機、５…復水器、６…脱塩装置、７…電源、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ…電極、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ…隔膜、１０…炉水配管、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…脱塩水室、１２…脱塩水配管、１３…濃縮水取出し配管、１４…ろ過装置、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ…濃縮水室、１６ａ，１６ｂ…バイポーラー電極、１７ａ，１７ｂ…濃縮水室洗浄水導入配管、１８…復水配管。

Claims (7)

1. 原子炉に炉水配管を通して接続され前記原子炉の冷却材である炉水をろ過するろ過装置と、前記ろ過装置に接続され前記ろ過装置でろ過された炉水を脱塩処理する脱塩装置と、この脱塩装置で脱塩された炉水を前記原子炉に戻す脱塩水配管と、前記脱塩装置に電圧を印加する電源装置とを備え、
   前記脱塩装置は、炉水を導入する筐体内に設けられ前記電源装置に接続される電極と、微細孔を有するチタンまたはステンレス鋼からなり前記電極の間に設けられた隔膜と、前記電極と前記隔膜の間に形成されイオン濃度の高い炉水を貯留する濃縮水室と、前記隔膜の相互間に形成されイオン濃度の低い炉水を貯留する脱塩水室とを備え、前記ろ過装置内に設けられるフィルターは耐熱性材料で構成され、このフィルターはフッ素樹脂膜またはニッケル基合金製繊維焼結シートから構成されていることを特徴とする炉水浄化装置。
2. 前記隔膜は、脱塩処理すべき炉水の導入方向に平行に対を成して設けられていることを特徴とする請求項１記載の炉水浄化装置。
3. 前記隔膜は平板状の構造を有することを特徴とする請求項２記載の炉水浄化装置。
4. 前記隔膜は筒型であり、脱塩処理すべき炉水の導入方向に同心円状に対を成して設けられていることを特徴とする請求項１記載の炉水浄化装置。
5. 前記電極および前記隔膜は複数対設けられ、複数の前記脱塩水室が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４記載の炉水浄化装置。
6. 前記複数対の電極のうち中間部の電極をバイポーラー電極としたことを特徴とする請求項５記載の炉水浄化装置。
7. 前記濃縮水室に前記ろ過装置でろ過された炉水を導入する配管を設けたことを特徴とする請求項１ないし６記載の炉水浄化装置。

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