JP5208188B2

JP5208188B2 - 原子力プラントの放射線被ばく低減方法、原子力プラント及び燃料集合体

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Publication number: JP5208188B2
Application number: JP2010271384A
Authority: JP
Inventors: 一成石田; 秀幸細川; 陽一和田; 元浩会沢; 誠長瀬; 元正布施; 直志碓井
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-03-25
Also published as: JP2011047960A

Description

本発明は、原子力プラントの放射線被ばく低減方法、原子力プラント及び燃料集合体に係り、特に、沸騰水型原子力プラントに適用するのに好適な原子力プラントの放射線被ばく低減方法、原子力プラント及び燃料集合体に関する。

沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）において、定期検査時における作業員の放射線被ばくをさらに低減することは、プラント健全性の観点から重要な課題である。定期検査時における作業員の放射線被ばくの放射線源は、主に、再循環系配管及び原子炉水浄化系配管の内面に付着して蓄積したコバルト６０である。すなわち、炉水（冷却水）または給水に接する、ＢＷＲプラントの金属部材から非放射性コバルトが腐食により溶出する。この非放射性コバルトは、原子炉の炉心に設置された燃料集合体の燃料棒表面に存在するドライアウト面に、核沸騰に伴う濃縮効果でコバルト酸化物として析出し付着する。燃料棒表面に付着した非放射性コバルトは、燃料棒内に存在する核燃料の核分裂で発生する中性子の照射を受け、放射化されてコバルト６０になる。コバルト６０は、コバルト６０を含むコバルト酸化物の燃料棒表面からの剥離またはそのコバルト酸化物の溶出によって炉水中に移行する。このコバルト６０は、炉水が流れる配管（例えば、再循環系配管及び原子炉水浄化系配管）の内面に付着し蓄積される。コバルト６０の蓄積速度は、炉水のコバルト６０濃度及び配管内面の酸化皮膜成長速度に比例する。したがって、炉水のコバルト６０濃度が低減すれば、配管内面へのコバルト６０の蓄積を抑制でき、定期検査時の作業員の放射線被ばくを低減することができる。なお、炉水は、原子炉圧力容器内、及び給水配管及び主蒸気配管以外で原子炉圧力容器に接続された配管内を流れる冷却水である。

特開平１０−１９７６７２号公報は、炉水中のコバルト６０の濃度を低減するために、燃料棒表面にコバルトを固定する方法を記載している。この方法は、予め燃料棒表面に三酸化二鉄（α−Ｆｅ₂Ｏ₃）の層を形成し、燃料棒表面に付着したコバルト酸化物（ＣｏＯ）をコバルト酸化物より溶解度の小さいコバルトフェライト（ＣｏＦｅ₂Ｏ₄）に形態変化させるものである。コバルトフェライトは、燃料棒表面に付着したコバルトの溶解を抑制する。すなわち、コバルト６０が燃料棒表面に固定されるので、炉水中のコバルト６０の濃度が低減される。

特開平５−２６４７８６号公報は、炉水中のコバルト６０の濃度を低減する他の方法として、燃料棒表面へのコバルトの付着、蓄積を抑制する技術を記載している。コバルトの燃料棒表面への付着は、炉水中の鉄酸化物濃度に比例して増加する。特開平５−２６４７８６号公報は、その現象に着目して給水の鉄濃度を０．０５ｐｐｂ以下に抑制し、原子炉内でコバルトが燃料棒表面に付着することを抑制している。さらに、炉水に炭酸、窒素または一酸化二窒素を注入して炉水のｐＨを弱酸性に制御し、燃料棒表面に付着したコバルト酸化物の溶解を促進する。このような特開平５−２６４７８６号公報に記載された方法は、燃料棒表面におけるコバルトの滞在時間を減少させ、非放射性コバルトが中性子照射によりコバルト６０に放射化されることを抑制する。したがって、炉水中のコバルト６０の濃度が低減される。

特開平６−１４８３８６号公報は、原子力プラントの腐食性生物抑制方法を記載している。この腐食性生物抑制方法は、燃料棒の表面、すなわち、燃料棒の被覆管外面と炉水中の鉄酸化物の表面電位を制御することによって鉄酸化物が被覆管外面に付着することを抑制している。このため、鉄酸化物に付随してコバルトが被覆管外面に付着することを抑制することができる。その腐食性生物抑制方法においても、コバルトが放射化されることを抑制でき、炉水中のコバルト６０の濃度を低減できる。

特開昭６３−５２０９２号公報は、原子力プラントの運転中に、炉心に装荷された燃料集合体の燃料棒の被覆管外面にニッケルフェライト及びコバルトフェライトを形成することを記載している。炉心に装荷する前において、被覆管の外面に鉄酸化物層（クラッド層）を形成し、この被覆管を用いて燃料棒及び燃料集合体を製造する。外面に鉄酸化物層を形成した被覆管を用いた燃料集合体を炉心内に装荷し、その後、原子力プラントの運転を開始する。原子力プラントの運転中において、炉水に含まれるニッケル及びコバルトが、被覆管の外面の鉄酸化物層と接触し、フェライト酸化物へとその化学形態を変化させる。
このため、被覆管外面に安定なニッケルフェライト及びコバルトフェライトが形成され、放射性コバルトが被覆管から炉水に溶出することを抑制することができる。したがって、炉水中の放射性核種の濃度を低減できる。

放射性核種の付着を抑制するために、原子力プラントの配管（例えば、ＢＷＲプラントの再循環系配管）の内面にフェライト皮膜を形成することが、特開２００６−３８４８３号公報に記載されている。

特開平１０−１９７６７２号公報特開平５−２６４７８６号公報特開平６−１４８３８６号公報特開昭６３−５２０９２号公報特開２００６−３８４８３号公報

特開平１０−１９７６７２号公報に記載された方法は、被覆管外面にコバルトをコバルトフェライトとして固定させるため、炉水中のコバルト６０イオンの濃度を低減できる。
しかしながら、その方法は、燃料棒表面のコバルトフェライトが冷却水の流れのせん断力により燃料棒表面から剥離して炉水中に移行する。このため、炉水中のコバルト６０を含む酸化物濃度が増加する。また、燃料集合体の高燃焼度化により燃料集合体の炉心滞在期間が増加すると、燃料棒表面に付着した非放射性コバルトが放射化される量が増大し、炉水中のコバルト６０イオンの濃度が増加する。

特開平５−２６４７８６号公報は、炉水に炭酸、窒素または一酸化二窒素を注入して炉水のｐＨを弱酸性に制御している。しかしながら、炭酸などは、構造部材の応力腐食割れの感受性を高める可能性があるので、炉水に注入することは好ましくない。

特開平６−１４８３８６号公報に記載された腐食性生物抑制方法は、鉄酸化物と被覆管外面の表面電位を同符号にすることによって、被覆管外面への鉄酸化物の付着を抑制することができる。しかしながら、被覆管外面に鉄酸化物が付着していなくても、コバルトは被覆管外面に付着する。更に、コバルト酸化物の表面電位は炉水中では鉄酸化物及び被覆管外面の表面電位と逆符号になるので、コバルト酸化物が被覆管外面に付着することを抑制できない。

また、特開昭６３−５２０９２号公報に記載された放射線被ばく低減方法は、炉心に装荷される前に形成された、被覆管外面に形成された酸化物層に、原子力プラントの運転開始後に炉水に含まれているニッケル及びコバルトが接触することによって被覆管外面にニッケルフェライト及びコバルトフェライトを形成している。これらのフェライト形成により被覆管外面部分に取り込まれたニッケル及びコバルトは、中性子照射を受けて放射化され、放射性コバルトになる。ニッケルフェライト及びコバルトフェライトは安定で放射性コバルトの溶出が抑制されるが、その溶出が完全に防止されるわけではないので、微量の放射性コバルトが炉水に溶出される。燃焼度がさらに増大された燃料集合体を炉心に装荷した場合には、この燃料集合体の炉心滞在期間が長くなる。燃焼度がさらに増大された燃料集合体の各被覆管の外面に特開昭６３−５２０９２号公報に記載された方法でニッケルフェライト及びコバルトフェライトを形成した場合には、炉心滞在期間が長くなる分、被覆管の外面から炉水に溶出する放射性コバルトの量も多くなる。また、被覆管の外面で生成される放射性コバルトの量も増大する。

本発明の目的は、燃料集合体の燃焼度をさらに増大させた場合においても放射線被ばくをさらに低減できる原子力プラントの放射線被ばく低減方法、原子力プラント及び燃料集合体を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、外面にフェライト皮膜を形成したジルコニウム合金製の被覆管を用いた複数の燃料棒を有する燃料集合体を、原子炉の炉心内に装荷し、その後、原子炉を運転することにある。

原子炉の運転中にジルコニウム合金製の被覆管の外面、すなわち、フェライト皮膜の表面に付着したコバルト酸化物は、フェライト皮膜を構成する化合物との間で生じる静電的反発力の作用によって剥離される。このため、燃焼度がさらに増大された燃料集合体においても、コバルト酸化物が被覆管の外面に付着している時間が極めて短くなるので、そのコバルト酸化物に含まれる非放射性コバルトが被覆管の外面に付着している間で放射化されること抑制される。被覆管の外面から炉水に溶出する放射性コバルトの量が低減され、炉水中の放射性コバルトの濃度も減少する。この結果、原子炉に接続されて炉水が流れる配管等の内面への放射性コバルトの付着、蓄積が抑制され、その配管等の表面線量率が低下する。したがって、燃料集合体の燃焼度をさらに増大させた場合においても、原子力プラントの運転停止後において定期検査を実施する作業員の放射線被ばくをさらに低減することができる。

上記の目的は、外面に親水性酸化物皮膜を形成した被覆管を用いた複数の燃料棒を有する燃料集合体を、原子炉の炉心内に装荷し、その後、原子炉を運転することによっても達成することができる。

炉水の沸騰により、被覆管の外面、すなわち、親水性酸化物皮膜の表面に生じたドライアウト面が、親水性酸化物皮膜の作用により速やかに冠水される。このため、そのドライアウト面に付着したコバルト酸化物は溶解しやすいコバルト水酸化物となって炉水に溶解される。被覆管の外面に親水性酸化物皮膜を形成した場合でも、コバルト酸化物が被覆管の外面に付着している時間が極めて短くなる。したがって、被覆管の外面にフェライト皮膜を形成した場合と同様に、被覆管の外面に親水性酸化物皮膜を形成することによっても、燃料集合体の燃焼度をさらに増大させた場合において、原子力プラントの運転停止後において定期検査を実施する作業員の放射線被ばくをさらに低減することができる。

本発明によれば、燃料集合体の燃焼度をさらに増大させた場合においても放射線被ばくをさらに低減することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の沸騰水型原子力プラントの放射線被ばく低減方法を適用する沸騰水型原子力プラントの構成図である。図１に示す沸騰水型原子力プラントの炉心に装荷される燃料集合体の燃料棒に用いられる被覆管の外面にフェライト皮膜を形成する皮膜形成装置の構成図である。各金属酸化物の表面電位のｐＨ依存性を示す特性図である。炉水の沸騰により被覆管の外面にコバルト酸化物が付着する過程を示す説明図である。従来例において被覆管の外面にコバルトフェライトが固着する過程を示す説明図である。図１に示す燃料集合体の被覆管の外面であるフェライト皮膜表面におけるコバルト酸化物の挙動を示す説明図である。給水から供給される鉄酸化物が多い場合において、図１に示す燃料集合体の被覆管の外面であるフェライト皮膜表面へのコバルト酸化物の付着の状態を示す説明図である。被覆管へのコバルトの固着度と炉水中のコバルト６０イオンの濃度との関係を示す特性図である。ＢＷＲプラントの構造部材の表面に形成されたフェライト皮膜の機能を示す説明図である。ジルコニウム合金製の被覆管外面における酸素イオン及び電子の挙動を示す説明図である。金属酸化物の等電位点及びＢＷＲプラントの運転期間中での炉水のｐＨを示す説明図である。炉水中での金属酸化物の溶解度を示す説明図である。被覆管の外面にフェライト皮膜を形成する皮膜形成装置の他の例の構成図である。本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子力プラントの放射線被ばく低減方法を適用する沸騰水型原子力プラントの炉心に装荷される燃料集合体の燃料棒に用いられる被覆管の外面にフェライト皮膜を形成する皮膜形成装置の構成図である。

発明者らは、燃料集合体がさらに高燃焼度化されたときにおいて、定期検査時における作業員の放射線被ばくをより低減できる方法を検討した。この検討の内容を以下に説明する。上記の検討においては、特開昭６３−５２０９２号公報に記載された放射線被ばく低減方法も考慮した。

発明者らは、酸化物粒子の表面電位について検討した。酸化物粒子は、水素イオンの吸着によりプラスに帯電され、水酸化イオンの吸着によりマイナスに帯電される。水素イオンまたは水酸化イオンの吸着は酸化物の組成に依存し、さらに炉水のｐＨにより変化する。三酸化二鉄（α−Ｆｅ₂Ｏ₃）、四酸化三鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄）及びコバルト酸化物（ＣｏＯ）のそれぞれの表面電位のｐＨ依存性を図３に示す。図３の横軸は炉水のｐＨを示している。炉水中では、三酸化二鉄は負に帯電し、四酸化三鉄及びコバルト酸化物（ＣｏＯ）は正に帯電する。したがって、三酸化二鉄とコバルト酸化物（ＣｏＯ）は電気的に吸着し、四酸化三鉄とコバルト酸化物（ＣｏＯ）は電気的に反発する。炉水と接する被覆管外面に三酸化二鉄の層が形成されると、その層、すなわち、被覆管外面にコバルト酸化物（ＣｏＯ）が付着し易くなり、被覆管外面に四酸化三鉄の層を形成するとコバルト酸化物（ＣｏＯ）はその外面に付着し難くなる。また、三酸化二鉄と四酸化三鉄も静電的に吸着する。

上記した四酸化三鉄とコバルト酸化物（ＣｏＯ）の静電的な反発力を利用することによって、被覆管外面へのコバルト酸化物（ＣｏＯ）の付着を抑制することができ、炉水中の放射性コバルトの濃度を低減できる。本発明は、そのような特性に基づいて成されたものである。

炉心内に装荷された燃料集合体の燃料棒内に存在する核燃料物質の核分裂によって、燃料集合体内を上昇する炉水が加熱されて沸騰する。炉水中に存在するコバルト酸化物は、その沸騰を駆動力にして燃料棒の被覆管外面に付着する。このときにおけるコバルト酸化物の被覆管外面への付着の過程を、図４を用いて説明する。燃料棒の被覆管の外側を流れている炉水の沸騰により、被覆管の外面に気泡が発生する（図４の（Ａ））。発生した気泡と被覆管外面の界面の薄膜が蒸発する（図４の（Ｂ））。薄膜の蒸発により、薄膜内に存在したコバルトイオンが、溶解度を超えてコバルト酸化物として被覆管外面に析出し付着する（図４の（Ｃ））。

特開昭６３−５２０９２号公報に記載された放射線被ばく低減方法は、三酸化二鉄を被覆管外面に予め付着させておき、図４の（Ｃ）に示すように炉水の沸騰により付着したコバルト酸化物（ＣｏＯ）を三酸化二鉄と反応させてコバルトフェライト（ＣｏＦｅ_２Ｏ_４）を生成する（図５参照）。コバルトフェライト（ＣｏＦｅ_２Ｏ_４）はコバルト酸化物（ＣｏＯ）と比較して溶解度が小さいため、被覆管外面から炉水中に再溶解し難い。すなわち、被覆管外面へのコバルトの固着度を高めてコバルトの炉水への再溶解を抑制することにより、炉水中のコバルト６０の濃度が低減される。ただし、コバルト酸化物（ＣｏＯ）と三酸化二鉄を反応させるためには三酸化二鉄が一定量以上必要である。その反応が生じない場合には、コバルトの被覆管への固着度と炉水中の^６０Ｃｏイオン濃度の関係を示した図８の特性から明らかであるように、コバルト酸化物の被覆管への固着度が中程度であるため、放射化されたコバルトが炉水中に溶出し、炉水中の^６０Ｃｏイオン濃度は高くなる。また、コバルトフェライトの炉水への溶解度がゼロではないので、コバルトフェライトに含まれて放射化されたコバルトも幾らかは溶出する。

ジルコニウム合金製の被覆管外面にフェライト皮膜（四酸化三鉄皮膜）を予め形成することによって、炉水の沸騰によりフェライト皮膜の表面に付着したコバルト酸化物（ＣｏＯ）が四酸化三鉄との間で生じる静電的反発力で剥離される（図６参照）。このため、コバルト酸化物（ＣｏＯ）が被覆管外面、具体的には、フェライト皮膜の表面に付着している期間が著しく短縮される。その期間の著しい短縮は、コバルト酸化物（ＣｏＯ）に含まれる非放射性コバルトの放射化、すなわち、コバルト６０の生成を抑制する。被覆管外面へのコバルトの固着度を低下させることによって、コバルトの放射化が抑制され、炉水中の放射性コバルト（例えば、コバルト６０）の濃度が低減される。原子炉に接続されて炉水が流れる配管等の内面への放射性コバルトの付着、蓄積が抑制され、その配管等の表面線量率が低下する。したがって、燃焼度がさらに増大した燃料集合体を用いる場合であっても、原子力プラントの運転停止後において定期検査を実施する作業員の放射線被ばくをさらに低減することができる。

被覆管外面へのフェライト皮膜の形成によって、上記したように、炉水中の放射性コバルト濃度を低減できるが、給水から原子炉内に持ち込まれる鉄酸化物の量を低減することによって炉水中の放射性コバルトの濃度をさらに低減することができる。

給水から原子炉内に持ち込まれる鉄酸化物は、炉水中では主に三酸化二鉄として存在する。被覆管外面にフェライト皮膜（四酸化三鉄皮膜）を形成した場合、三酸化二鉄と四酸化三鉄は静電的に吸着する（図３参照）ため、炉水に含まれる三酸化二鉄は被覆管外面、すなわち、フェライト皮膜表面に付着する（図７参照）。三酸化二鉄が被覆管外面に付着すると、四酸化三鉄に起因する静電反発力が弱められるので、炉水に含まれるコバルト酸化物（ＣｏＯ）はその付着した三酸化二鉄の表面に付着する。被覆管外面に付着した三酸化二鉄はコバルト酸化物（ＣｏＯ）と反応してコバルトフェライトを生成する（図５参照）。このコバルトフェライトに含まれるコバルトが中性子照射によって放射化される。被覆管外面にフェライト皮膜を形成していない場合よりも炉水中の放射性コバルトの濃度が小さいが、その放射化されたコバルトが炉水中に溶出するので、炉水中のその濃度は増加する。

炉水中の三酸化二鉄の濃度を低減する、すなわち、原子炉に供給される給水の鉄酸化物濃度を低減することによって、被覆管に形成されたフェライト皮膜に付着する三酸化二鉄の量が減少する。結果として、被覆管外面に付着するコバルト酸化物（ＣｏＯ）の量が減少し、炉水中の放射性コバルトの量がさらに減少する。特に、給水中の鉄酸化物の濃度を１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下にすることによって、三酸化二鉄が原子炉内に持ち込まれる量が著しく減少し、被覆管外面に形成されたフェライト皮膜の表面に付着する三酸化二鉄の量が激減する。このため、被覆管の外面で生成される放射性コバルトの量が非常に少なくなり、炉水中の放射性コバルトの濃度がさらに低減される。

図５及び図６に示す現象を、図８を用いて詳細に説明する。図８に示す固着度は、被覆管外面に付着したコバルトの炉水中への移行のし易さを意味する。固着度が大きい場合は被覆管外面に付着したコバルトは、溶出等による炉水中への移行がし難い。固着度が小さい場合は、被覆管外面に付着したコバルトは速やかに炉水中へ移行する。コバルトの固着度を大きくするまたは小さくすることによって、炉水中の⁶⁰Ｃｏイオン濃度を低減できる。すなわち、特開昭６３−５２０９２号公報に記載された従来例（図５）のように、コバルトの固着度を大きくする場合は、被覆管外面に付着したコバルトの放射化が促進される。しかしながら、炉水中への放射性コバルトの移行の度合いが小さいため、炉水中の⁶⁰Ｃｏイオン濃度は低減する。被覆管外面にフェライト皮膜を形成してコバルトの固着度を小さくした場合は（図６）、被覆管外面に付着したコバルトの放射化が抑制されるため、炉水中⁶⁰Ｃｏイオン濃度が低減する。

特開２００６−３８４８３号公報は、放射性核種の付着抑制を目的に、原子力プラントの配管等のステンレス鋼（または炭素鋼）製の構造部材の炉水と接する表面にフェライト皮膜を形成する方法を記載している。このフェライト皮膜は、拡散抑制作用を利用し、炉水中のコバルト６０イオンが構造部材の表面に付着、蓄積することを抑制する。炉水中のコバルトイオンは、構造部材の表面に酸化皮膜が形成されるときに取り込まれる。すなわち、構造部材の腐食により溶出した鉄イオンが再析出するときに取り込まれる場合と、構造部材の表面にクロム酸化物が形成されるときに取り込まれる場合がある。図９に示すように、フェライト皮膜は、構造部材と炉水の間にバリア層として形成され、炉水中から構造部材への酸素の拡散を抑制し、さらに、鉄イオンが構造部材から炉水中に拡散することを抑制する。この機能により、フェライト皮膜は構造部材の腐食を抑制する。そのフェライト皮膜は、炉水中のコバルト６０イオンの構造部材内への拡散も抑制している。以上の作用により、特開２００６−３８４８３号公報に記載されたフェライト皮膜は、炉水に含まれるコバルト６０イオンが構造部材の表面に付着、蓄積することを抑制している。

燃料棒の被覆管外面へのフェライト皮膜の形成は、このフェライト皮膜の静電的作用を利用して、コバルト酸化物が被覆管外面に付着することを抑制し、そのコバルト酸化物に含まれる非放射性コバルトが被覆管外面で放射化されることを抑制することを目的としている。すなわち、燃料棒の被覆管外面でのフェライト皮膜の形成の目的は、特開２００６−３８４８３号公報に記載されたフェライト皮膜形成の目的とは異なっている。なお、被覆管はジルコニウム合金製である。図１０に示すように、炉水に含まれた酸素は、被覆管（ジルコニウム合金）の表面に形成されたジルコニウム酸化皮膜内を拡散し、被覆管との界面でジルコニウムと反応する。したがって、被覆管では、再析出によるコバルトイオンの取り込みが生じない。

燃料棒の被覆管外面にフェライト皮膜を形成することによって、静電反発力の作用を利用でき、被覆管外面へのコバルト酸化物の付着を抑制できることは、前に述べた通りである。発明者らは、図３に示す金属酸化物以外の金属酸化物も対象に、高温水中での各金属酸化物の表面電位の測定を行い、さらに、高温水中でのイオン形態を基にそれぞれの金属酸化物について表面電位がゼロとなるｐＨ（以下、等電位点と呼ぶ）を求めた。各金属酸化物の表面電位の測定結果及び求めた各等電位点を図１１にまとめて示した。コバルトを例に挙げると、コバルトは高温水中でＣｏｉ²⁺、Ｃｏ（ＯＨ）⁺、Ｃｏ（ＯＨ）₂、Ｃｏ（ＯＨ）₃ ^-の化学形態をとる。これらの化学形態に対する各コバルトイオンの濃度は高温水のｐＨに依存して変化する。コバルト酸化物の等電位点では、全ての化学形態のコバルトイオンの電荷の総和もゼロになると考えられる。そこで（１）式を満たすｐＨを求め、コバルト酸化物の等電位点とした。

２[Ｃｏ²⁺]＋[Ｃｏ（ＯＨ）⁺]−[Ｃｏ（ＯＨ）₃ ^-]＝０ ……（１）
（１）式における[ ]内は、[ ]内に示されたイオン種の濃度である。

金属酸化物に接する水がこの金属酸化物の等電位点のｐＨよりも酸性の場合は、金属酸化物の表面電位が正になる。金属酸化物に接する水がこの金属酸化物の等電位点のｐＨよりもアルカリ性の場合は、金属酸化物の表面電位が負になる。図１１に示す結果から、ＢＷＲプラントの炉水のｐＨ５．６付近においてコバルト酸化物と表面電位が同符号となる金属酸化物は、四酸化三鉄、ニッケルフェライト及び亜鉛フェライトである。従って、これらのフェライトのうち一つのフェライトの皮膜を予め被覆管の外面に形成すれば、その皮膜との静電反発力によりコバルト酸化物の剥離を促進させることができる。なお、これらのフェライトを混合した状態で被覆管外面に皮膜を形成してもよい。さらには、中間化合物（Ｎｉ_XＦｅ_3-XＯ₄、Ｎｉ_1-XＺｎ_XＦｅ₂Ｏ₄、Ｚｎ_XＦｅ_3-XＯ_４またはＮｉ_YＺｎ_ZＦｅ_3-Y-ZＯ₄（但し、Ｘ、Ｙ、Ｚ及びＹ＋Ｚは０から１））の皮膜を被覆管の外面に形成しても良い。

但し、被覆管外面に形成された皮膜に含まれている化合物は放射化されるので、その化合物の溶解度は小さいことが望ましい。各化合物、すなわち、各金属酸化物の溶解度を図１２に示す。図１２から明らかであるように、ニッケルフェライトの溶解度が他の金属酸化物のそれと比較して小さい。すなわち、炉水中の放射性核種の濃度を低減するためには、被覆管外面にニッケルフェライト皮膜を形成することが望ましい。被覆管外面に亜鉛フェライト被膜を形成する場合は、亜鉛６４を減損した亜鉛を使用するにより、中性子照射で生成される放射性の亜鉛６５の量を低減できる。四酸化三鉄皮膜の形成も望ましい。

炉水中に存在する三酸化二鉄は、炉水のｐＨ付近では、四酸化三鉄だけでなく、ニッケルフェライト及び亜鉛フェライトとも表面電位が異符号となる。このため、三酸化二鉄はニッケルフェライト及び亜鉛フェライトのそれぞれに吸着され易い。三酸化二鉄の粒子がそれらのフェライトに付着すると、前述した四酸化三鉄と同様に、ニッケルフェライト及び亜鉛フェライトのそれぞれに起因して生じる静電反発力が弱められ、付着した三酸化二鉄の粒子にコバルト酸化物が付着するため望ましくない。従って、ニッケルフェライト及び亜鉛フェライトのそれぞれ皮膜を被覆管外面に形成する場合には、給水中に含まれる鉄酸化物の濃度を１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下に抑制することが望ましい。給水の鉄酸化物濃度を１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下に抑制するためには、給水配管に鉄酸化物除去装置である中空子フィルタ及びろ過脱塩装置を用いればよい。

外面にフェライト皮膜を形成した被覆管を用いて製造された複数の燃料棒を有する燃料集合体を炉心に装荷している原子力プラントを起動した後、原子炉内の炉水に水素を注入することが望ましい。この注入された水素の作用によって、炉水中の酸素及び過酸化水素の濃度が低減され、原子炉内に設置された炉内構造物の腐食を抑制することができる。したがって、炉内構造物の表面で発生して炉水中に移行する三酸化二鉄の量を低減でき、燃料棒表面での放射性核種（例えば、コバルト６０）の生成量がより低減される。

炉水と接する被覆管外面に、フェライト皮膜の替りに、予め親水性酸化物皮膜を形成してもよい。親水性酸化物皮膜は、燃料集合体を炉心に装荷する前の時点で被覆管の外面に形成される。親水性酸化物皮膜を被覆管外面に形成することによって、被覆管外面が親水性になり、被覆管外面の、核沸騰でドライアウトした部分を速やかに冠水させることができる。炉水に含まれるコバルト酸化物は核沸騰による濃縮効果で被覆管外面のドライアウト面に付着する。しかしながら、このドライアウト面は親水性酸化物皮膜の作用により速やかに冠水されるので、付着したコバルト酸化物はコバルト水酸化物（Ｃｏ（ＯＨ）_２）として析出し、加水分解されてコバルト酸化物（ＣｏＯ）になる。コバルト水酸化物はコバルト酸化物よりも溶解しやすいため、コバルトを速やかに溶出させるには、コバルトが水酸化物の状態にあるときに接水させることが望ましい。

被覆管外面に親水性酸化物皮膜を形成する物質としてはチタンの酸化物が適切である。
チタンの酸化物は光照射を受けると表面が親水性となる。但し、チタンの酸化物のあるものはコバルトを吸着して化合物を形成する。例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）はコバルトイオンの吸着剤として使用される。このため、コバルトを吸着して化合物を形成しないチタンの酸化物の使用が望ましい。このようなチタンの酸化物としては、チタン酸の遷移金属塩（例えば、チタン酸鉄、チタン酸亜鉛及びチタン酸ジルコニウム）が存在する。

炉水中に存在する三酸化二鉄が上記の親水性酸化物皮膜の表面に付着すると、被覆管の外面を親水性にする効果が付着した三酸化二鉄によって低減される。被覆管の外面を親水性にする効果を向上させるためには、被覆管外面の親水性酸化物皮膜の表面に付着する三酸化二鉄の量を低減させることが望ましい。これは、給水によって原子炉内に持ち込まれる三酸化二鉄の量を低減することである。被覆管外面にフェライト皮膜を形成する場合と同様に、給水中の鉄酸化物濃度を１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下に抑制することが望ましい。

本発明の好適な一実施例である実施例１の沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）の放射線被ばく低減方法を、図１及び図２を用いて説明する。

本実施例のＢＷＲプラント１は、原子炉２、タービン７、復水器８及び給水配管９を備えている。原子炉２は、原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）３及びＲＰＶ３内に配置された炉心４を有する。より高燃焼度化された複数の燃料集合体５が炉心４に装荷されている。燃料集合体５は、核燃料物質で構成された複数の燃料ペレットをジルコニウム合金製の被覆管内に充填している複数の燃料棒を有する。炉水と接する被覆管の外面には、フェライト皮膜が形成されている。複数のジェットポンプ（図示せず）がＲＰＶ３と炉心４の間に形成された環状のダウンカマ内に配置されている。ＲＰＶ３に接続された主蒸気配管６はタービン７に接続される。給水配管９は、復水器８とＲＰＶ３を連絡している。中空子フィルタ（復水フィルタ）１０、復水脱塩器１１、給水ポンプ１２及び給水加熱器１３が、この順に上流より給水配管９に設置される。中空子フィルタ１０の替りにろ過脱塩装置を用いてもよい。ろ過脱塩装置は、粉末イオン交換樹脂を給水が通過可能な支持部材にプリコートして構成されている。主蒸気配管６に接続される抽気蒸気配管１４が給水加熱器１３に接続されている。水素注入装置１９が、復水脱塩器１１と給水ポンプ１２の間で給水配管９に接続される。

ＢＷＲプラント１に設けられる再循環系は、再循環系配管１５及び再循環系配管１５に設けられた再循環ポンプ１６を有している。再循環系配管１５の一端は、ＲＰＶ３に設けられたノズル（図示せず）に接続され、ダウンカマに連絡される。再循環系配管１５の他端は、ＲＰＶ３のダウンカマ内に配置されてジェットポンプのノズルに接続されるライザ管（図示せず）に接続される。炉水浄化系は、炉水浄化系配管１７及び炉水浄化系配管１７に設置された炉水浄化装置１８を有する。炉水浄化系配管１７は再循環系配管１５と給水配管９に接続される。サンプリング配管２０が、水素注入装置１９の給水配管９への接続点と復水脱塩器１１との間で、給水配管９に接続されている。サンプリング配管２１が炉水浄化系配管１７に接続される。

ＢＷＲプラント１が運転されているとき、再循環ポンプ１６の駆動によりＲＰＶ３内のダウンカマから再循環系配管１５内に吸引された炉水は、再循環ポンプ１６で昇圧され、ライザ管を通ってジェットポンプのノズルから噴出される。ノズルの周囲でダウンカマ内に存在する炉水が、その噴出流によってジェットポンプ内に吸い込まれ、ジェットポンプから吐出される。ジェットポンプから吐出された炉水は、炉心４内に導かれ、燃料集合体５内の各燃料棒の間を上昇する。この炉水は、各燃料棒内に存在する核燃料物質の核分裂によって発生する熱で加熱され、一部が蒸気になる。この蒸気は、ＲＰＶ３内の気水分離器（図示せず）及び蒸気乾燥器（図示せず）で水分を除去されて主蒸気配管６を通ってタービン７に導かれ、タービン７を回転させる。タービン７に連結された発電機（図示せず）が回転して電力が発生する。タービン７から排出された蒸気は、復水器８で凝縮される。この凝縮によって発生した水は、給水として、給水ポンプ１２で昇圧されて給水配管９を通りＲＰＶ３内のダウンカマに供給される。

給水は、給水配管９内を流れる間に、中空子フィルタ１０、復水脱塩器１１及び給水加熱器１３を通過する。中空子フィルタ１０は、復水器８内で発生し、給水に含まれている腐食生成物（例えば、鉄酸化物である三酸化二鉄）を除去する。中空子フィルタは除鉄性能が高いので、中空子フィルタ１０を通過した給水に含まれる鉄酸化物の濃度は、１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下に抑制される。このため、給水と共にＲＰＶ３内に持ち込まれる鉄酸化物の濃度が低下する。復水脱塩器１１は、復水器８において伝熱管内を流れて蒸気の凝縮に使用される海水が漏洩したとき、海水成分（ナトリウムイオン及び塩化物イオン）がＲＰＶ３内に入り込むのを防ぐためにその海水成分を除去する。抽気蒸気配管１４は、主蒸気配管６内を流れる蒸気の一部を抽気する。給水加熱器１３は、抽気蒸気配管１４によって抽気された蒸気を用いて給水配管９内を流れる給水を加熱する。加熱された給水がＲＰＶ３内に供給される。

ＲＰＶ３内の炉水は、再循環系配管１５を経て炉水浄化系配管１７内に導かれる。この炉水に含まれた不純物（放射性核種を含む酸化物等）が炉水浄化装置１７で除去され、給水配管９を介してＲＰＶ３に戻される。

ＢＷＲプラントの運転中、水素注入装置１９から水素が給水配管９内を流れる給水に注入される。注入された水素は給水と共にＲＰＶ３内に導かれる。この水素は、ＲＰＶ３内で炉水中に存在する酸素及び過酸化水素と反応し、水を生成する。このため、炉水に含まれる酸素及び過酸化水素のそれぞれの量が減少される。結果として、ＲＰＶ３、再循環系配管１５及び炉水浄化系配管１７内での鉄酸化物（例えば、三酸化二鉄）の生成が抑制される。

外面にフェライト皮膜が形成された被覆管を用いた複数の燃料棒を有する燃料集合体５は、炉心４に装荷される前に製造される。この燃料集合体５の製造を、以下に説明する。
燃料集合体５の製造に当たって、被覆管の外面にフェライト皮膜が形成される。このフェライト皮膜の形成に用いられる皮膜形成装置２５の詳細な構成を、図２により説明する。
皮膜形成装置２５は、被覆管収納容器２６、循環配管２７、鉄（II）イオン注入装置２８、ｐＨ調整剤注入装置３３、酸化剤注入装置３８、循環ポンプ４３、加熱器４４及び脱塩器４７を備えている。弁４８、循環ポンプ４３、弁４９、加熱器４４、弁５０，５１、酸化剤注入装置３８、ｐＨ調整剤注入装置３３、鉄（II）イオン注入装置２８及び弁５２が、上流よりこの順に循環配管２７に設けられている。循環配管２７の両端が被覆管収納容器２６に接続される。弁５４、冷却器４５及び弁５５が、弁４９、加熱器４４及び弁５０をバイパスして循環配管２７に接続される配管５３に設置される。弁５１をバイパスする配管５６が循環配管２７に接続される。弁５７、フィルタ４６、脱塩器４７及び弁５８が配管５６に設置される。弁６０が設けられた排水管５９が循環配管２７に接続される。不活性ガス導入管６１及びベント管６２が被覆管収納容器２６に接続される。

鉄（II）イオン注入装置２８が、薬液タンク２９、注入ポンプ３０及び注入配管３１を有する。薬液タンク２９は、注入ポンプ３０及び弁３２が設置された注入配管３１によって循環配管２７に接続される。薬液タンク２９は、鉄をギ酸で溶解して調製した２価の鉄（II）イオンを含む薬剤が充填されている。この薬剤はギ酸を含んでいる。なお、鉄を溶解させる薬剤としては、ギ酸に限らず、鉄（II）イオンの対アニオンとなる有機酸又は炭酸を用いることができる。ｐＨ調整剤注入装置３３が、薬液タンク３４、注入ポンプ３５及び注入配管３６を有する。薬液タンク３４は、注入ポンプ３５及び弁３７が設けられた注入配管３６によって循環配管２７に接続される。薬液タンク３４はｐＨ調整剤であるヒドラジンを充填する。酸化剤注入装置３８が、薬液タンク３９、注入ポンプ４０及び注入配管４１を有する。薬液タンク３９は、注入ポンプ４０及び弁４２が設置された注入配管４１によって循環配管２７に接続される。薬液タンク３９は、酸化剤である過酸化水素が充填されている。ｐＨ計６３が、注入配管３１と循環配管２７の接続点よりも下流で循環配管２７に設置されている。

皮膜形成装置２５を用いた、被覆管に対するフェライト皮膜形成方法を、詳細に説明する。まず、被覆管収納容器２６内に被覆管２２を収納する。被覆管収納容器２６の蓋を開け、両端をゴムなどで封止した複数のジルコニウム合金（例えば、ジルカロイ）製の被覆管２２を被覆管収納容器２６内に入れる。被覆管２２は核燃料物質を充填していない。所定本数の被覆管２２を被覆管収納容器２６内に配置した後、蓋を被覆管収納容器２６に取り付けて、被覆管収納容器２６を密封する。弁４８〜５２，５４，５５，５７，５８を開く。弁３２，３７，４２は閉じている。弁６０を開けて排水管５９から被覆管収納容器２６内に水を供給する。水が被覆管収納容器２６内に満たされ、被覆管２２が水に浸漬される。循環配管２７及び配管５３，５６内も水で満たされる。この水の供給時には、被覆管収納容器２６及び循環配管２７等の配管内の空気は、ベント管６２から排出される。水の供給が終了したとき、弁６０が閉じられる。窒素（またはアルゴン）が不活性ガス導入管６１から被覆管収納容器２６内に供給され、被覆管収納容器２６内の水に含まれている酸素が除去される。

被覆管収納容器２６及び循環配管２７に存在する水を加熱する。弁５４，５５，５７，５８を閉じて循環ポンプ４３を駆動させる。被覆管収納容器２６及び循環配管２７に存在する水は、循環配管２７を通して循環される。加熱器４４を起動して循環する水を加熱し、その水の温度を９０℃まで上昇させる。

２価の鉄（II）イオンを含む薬剤、ｐＨ調整剤及び酸化剤が循環配管２７内に注入される。循環配管２７内に注入されたこれらの薬剤は、循環している水と混合され、皮膜形成水溶液（皮膜形成液）を生成する。皮膜形成水溶液は、被覆管収納容器２６内に導かれ、被覆管収納容器２６内に収納された各被覆管２２の外面に接触する。皮膜形成水溶液は、循環ポンプ４３の運転により、被覆管収納容器２６及び循環配管２７によって形成される閉ループ内を循環する。

それぞれの薬剤の注入を具体的に説明する。弁３２を開いて注入ポンプ３０を駆動し、鉄（II）イオン及びギ酸を含む薬液を、薬液タンク２９から、循環配管２７内を流れている水（または被覆管収納容器２６から戻ってくる皮膜形成水溶液）に注入する。弁３７を開いて注入ポンプ３５を駆動することにより、ｐＨ調整剤（例えば、ヒドラジン）を、薬液タンク３４から、循環配管２７内を流れている水（または皮膜形成水溶液）に注入する。ｐＨ計６３は、循環配管２７内を流れる皮膜形成水溶液のｐＨを計測する。このｐＨ計測値に基づいて、注入ポンプ３５の回転速度（または弁３７の開度）を調整し、皮膜形成水溶液のｐＨがｐＨ５．５乃至９．０、例えば、７．０に調整される。ｐＨ調整剤としては、ヒドラジン及びエタノールアミン等の有機アルカリ溶液を用いることが望ましい。弁４２を開いて注入ポンプ４０を駆動し、酸化剤である過酸化水素を、薬液タンク３９から循環配管２７内を流れている水（または皮膜形成水溶液）に注入する。酸化剤としては、過酸化水素以外に、オゾンまたは酸素を溶解した薬剤を用いてもよい。

以上の各薬剤の注入により生成された皮膜形成水溶液は、温度が９０℃、ｐＨが７．０である。ＢＷＲプラントの運転中に炉水中のコバルトイオンが被覆管２２の外面に直接付着しないように、緻密なフェライト皮膜を被覆管２２の外面に形成する必要がある。皮膜形成時において、被覆管２２の外面にその緻密なフェライト皮膜を形成させる化学反応を促進させるため、皮膜形成水溶液の温度は、６０℃以上にする必要がある。皮膜形成水溶液の温度が２００℃を超えた場合には、被覆管２２の外面に緻密なフェライト皮膜を形成することができなくなる。このため、緻密なフェライト皮膜を形成するため、皮膜形成水溶液の温度は２００℃以下にする。皮膜形成水溶液の温度１００℃を超えた場合には、皮膜形成水溶液の沸騰を抑制するため、加圧しなければならず、皮膜形成装置を耐圧構造にしなければならない。皮膜形成装置が大型化する。したがって、皮膜形成処理における皮膜形成水溶液の温度は、皮膜形成装置２５を耐圧構造にしなくて済む１００℃以下が好ましい。

皮膜形成水溶液が被覆管収納容器２６内に供給されることによって、皮膜形成水溶液に含まれた鉄（II）イオンが被覆管２２の外面に吸着される。吸着された鉄（II）イオンは、皮膜形成水溶液に含まれる過酸化水素と反応し、フェライト皮膜、すなわち、マグネタイトを主成分とするフェライト皮膜（以下、マグネタイト皮膜という。）が、被覆管２２の外面に形成される。（２）式及び（３）式に示す反応によって、被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜が形成される。

所定の厚みのマグネタイト皮膜が被覆管２２の外面に形成された後、加熱器４４による加熱を停止すると共に、注入ポンプ３０，３５，４０の駆動を停止し、弁３２，３７，４２を閉じる。被覆管２２の外面に所定厚みのマグネタイト皮膜が形成されたことは、例えば、循環配管２７内への薬剤の注入を開始した後の経過時間によって判断する。加熱器４４による加熱を停止した後、弁５４，５５を開いて弁４９，５０を閉じる。上記の閉ループ内を流れる皮膜形成水溶液が、配管５３を通って流れ、冷却器４５で冷却される。皮膜形成水溶液の温度が約２０℃まで低下したとき、冷却器４５による皮膜形成水溶液の冷却を停止する。そして、弁５７，５８を開いて弁５１を閉じる。温度が低下した皮膜形成水溶液は、配管５６内を流れ、フィルタ４６及び脱塩器４７に供給される。フィルタ４６は皮膜形成水溶液に含まれる粒子等の固形分を除去する。皮膜形成水溶液に含まれるイオン成分は、脱塩器４７で除去される。

皮膜形成水溶液内の固形分及びイオン成分が除去された後、循環ポンプ４３の駆動を停止する。弁４９，５０，５１を開き、さらに、弁６０を開いて、被覆管収納容器２６、循環配管２７及び配管５３，５６内の水を、排水管５９を通して排出する。なお、被覆管収納容器２６内に水を残す必要がある場合には、下方に位置する弁４８は、排水時に閉じた状態にする。

以上の操作により、マグネタイト皮膜を被覆管２２の外面に形成することができる。複数の被覆管２２を被覆管収納容器２６内に収納することによって、一度に複数の被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜を形成できる。マグネタイト皮膜が形成された被覆管２２を被覆管収納容器２６から取り出す。その後、別の複数の被覆管２２を被覆管収納容器２６内に収納して、前述の操作を繰り返すことによって、マグネタイト皮膜をそれらの被覆管２２の外面に形成することができる。

超音波発信装置を被覆管収納容器２６内に設置し、フィルタ４６及び脱塩器４７に皮膜形成水溶液を供給しているときに被覆管収納容器２６内の被覆管２２の超音波洗浄を実施する。この超音波洗浄によって、被覆管２２の外面にルーズに付着したフェライトを除去することができる。除去されたフェライトはフィルタ４６等で除去される。

皮膜形成装置２５の系統内からの排水が終了した後、被覆管収納容器２６の蓋が開けられ、外面にマグネタイト皮膜が形成された複数の被覆管２２が被覆管収納容器２６から取り出される。これらの被覆管２２を乾燥させた後、燃料集合体５が製造される。被覆管２２の一端に下部端栓が溶接され、複数の燃料ペレットが開放されている他端より被覆管２２内に充填される。さらに、コイルバネ等の必要な部品が被覆管２２内に挿入される。上部端栓が被覆管２２の他端に溶接され、被覆管２２は複数のペレットを収納した状態で密封される。以上の工程で、燃料棒が完成する。

複数の燃料棒の下端部が下部タイプレートに保持され、それらの燃料棒の上端部が上部タイプレートで保持される。これらの燃料棒は、軸方向の複数箇所で、複数の燃料スペーサによって相互の間隔が所定の間隔になるように保持されている。燃料スペーサで束ねられた複数の燃料棒の周囲を取り囲むチャンネルボックスが、上部タイプレートに取り付けられる。外面にマグネタイト皮膜が形成された複数の燃料棒を有する燃料集合体５が完成する。燃料集合体５の横断面の中央部には水ロッドが配置されている。より高燃焼度化された燃料集合体５は、濃縮度をより高めた核燃料物質で製造された燃料ペレットを燃料棒内に収納することによって実現可能である。

以上のようにして製造された複数の燃料集合体５は、ＢＷＲプラントの運転を停止した後の定期検査の期間において、ＲＰＶ３の炉心４に装荷される。すなわち、ＲＰＶ３の蓋（図示せず）が取り外され、ＲＰＶ３内に設置されている蒸気乾燥器及び気水分離器等がＲＰＶ３内に取り出される。炉心４に装荷されている複数の燃料集合体５のうち寿命が来た複数の使用済の燃料集合体５が取り出され、ＲＰＶ３外の燃料貯蔵プール（図示せず）に移送される。外面にマグネタイト皮膜が形成された複数の燃料棒を有する新しい複数の燃料集合体５が、炉心４に装荷される。このような燃料交換が終了し、定期検査が終了した後、取り出された機器がＲＰＶ３内に設置され、ＲＰＶ３に蓋が取り付けられる。そして、ＢＷＲプラントの運転が開始される。

ＢＷＲプラントの運転中において、給水は中空子フィルタ１０を通過するので、給水配管９を通してＲＰＶ３内に供給される給水の鉄酸化物濃度は、１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下に抑制される。このため、炉水に含まれる鉄酸化物（例えば、三酸化二鉄）の濃度が著しく低下する。炉水は、炉心４内で各燃料集合体５に設けられた各燃料棒の被覆管２２の外面に沿って上昇する。各被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜が形成されているので、被覆管２２の外面のマグネタイト皮膜の表面に炉水の沸騰により付着したコバルト酸化物は、マグネタイト皮膜に含まれる四酸化三鉄との間で生じる静電的反発力で剥離される（図６参照）。このため、コバルト酸化物がマグネタイト皮膜の表面、すなわち、被覆管２２の外面に付着している期間が著しく短縮される。この結果、燃焼度がさらに増大された燃料集合体５を炉心４に装荷した場合でも、コバルト酸化物に含まれる非放射性コバルトの放射化が抑制され、炉水中の放射性コバルト（例えば、コバルト６０）の濃度が低減される。原子炉に接続されて炉水が流れる配管等の内面への放射性コバルトの付着、蓄積が抑制され、その配管等の表面線量率が低下する。したがって、燃料集合体の燃焼度をさらに増大させた場合においても、原子力プラントの運転停止後において定期検査を実施する作業員の放射線被ばくをさらに低減することができる。

本実施例は、中空子フィルタ１０の設置によって、ＲＰＶ３に供給される給水の酸化物濃度が１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下に抑制されるので、炉水中の放射性コバルトの濃度がさらに低減される。このため、作業員の放射線被ばくをさらに低減できる。

被覆管２２の外面にニッケルフェライト皮膜を形成する場合には、薬液タンク２９に２価の鉄（II）イオン及び２価のニッケル（II）イオンを含む溶液を充填する。鉄（II）イオン、ニッケル（II）イオン、ヒドラジン及び過酸化水素を含む９０℃の皮膜形成水溶液
を被覆管収納容器２６内に供給することによって、被覆管収納容器２６内の被覆管２２の外面にニッケルフェライト皮膜が形成される。

皮膜形成装置２５を用いて、核燃料物質を被覆管２２内に密封して構成された燃料棒の外面、すなわち、その被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜を形成することも可能である。燃料棒を収納した被覆管収納容器２６内に皮膜形成水溶液を供給することによって、被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜を形成できる。

被覆管２２の外面にフェライト皮膜を形成する他の例を、図１３を用いて説明する。図２に示す皮膜形成装置２５はバッチ式で被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜を形成するのに対し、図１３に示す皮膜形成装置２５Ａは、連続的に被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜を形成する装置である。皮膜形成装置２５Ａは、被覆管２２が通過する開口部７１，７２を有するチャンバー７０、運搬装置７３，７４、鉄（II）イオン注入装置８７、ｐＨ調整剤注入装置８８、及び酸化剤注入装置８９を備えている。鉄（II）イオン注入装置８７は、スプレイ７５、注入ポンプ７６及び２価の鉄（II）イオン及びギ酸を含む薬剤が充填されている薬液タンク７７を有する。ｐＨ調整剤注入装置８８は、スプレイ７８、注入ポンプ７９及びｐＨ調整剤であるヒドラジンが充填されている薬液タンク８０を有する。酸化剤注入装置８９は、スプレイ８１、注入ポンプ８２及び酸化剤である過酸化水素が充填されている薬液タンク８３を有する。スプレイ７５，７８，８１はチャンバー７０内に配置される。

被覆管２２が、一端から、運搬装置７３によって開口部７１を通してチャンバー７０内に挿入される。薬液タンク７７内の鉄（II）イオン及びギ酸を含む薬剤がスプレイ７５から被覆管２２の外面に向って噴霧される。薬液タンク８０内のヒドラジンがスプレイ７８から被覆管２２の外面に向って噴霧される。薬液タンク８３内の過酸化水素がスプレイ８１から被覆管２２の外面に向って噴霧される。図示されていないが、薬液タンク７７，８０，８３及びスプレイ７５，７８，８１等に設置された各電気ヒーターによって、各スプレイから噴霧されるそれぞれの薬剤が９０℃に加熱される。チャンバー７０内も電気ヒーターにより９０℃に加熱されている。不活性ガス（例えば、窒素）が不活性ガス導入管８４を通してチャンバー７０内に供給される。このため、チャンバー７０内は不活性ガス雰囲気になっている。チャンバー７０の底部に接続された排水管８５は、チャンバー７０内に噴霧された各薬剤を外部に排出する。

上記したように噴霧された鉄（II）イオン及びギ酸を含む薬剤、ヒドラジン及び過酸化水素がチャンバー７０内に挿入された被覆管２２の外面に沿って下方に流れ落ちる。このため、鉄（II）イオンが被覆管２２の外面に吸着され、（２）式及び（３）式の反応によって、被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜が形成される。被覆管２２は、運搬装置７３によってチャンバー７０内を開口部７２に向って移動される。被覆管２２の一端が開口部７２を通過したとき、被覆管２２は運搬装置７４によって移動される。被覆管２２の移動速度は、被覆管２２の外面に所定厚みのマグネタイト皮膜が形成されるような速度とする。開口部７２を通して外面にマグネタイト皮膜が形成された被覆管２２が取り出される。
開口部７２を通して被覆管２２を取り出している間に、別の被覆管２２を、運搬装置７３によって開口部７１からチャンバー７０内に挿入する。このため、被覆管２２の外面にマグネタイト皮膜を連続して形成することができる。チャンバー７０内に一度に複数の被覆管２２を挿入することによってより多くの被覆管２２にマグネタイト皮膜を形成することができる。

本発明の他の実施例である実施例２のＢＷＲプラントの放射線被ばく低減方法を、以下に説明する。本実施例の放射線被ばく低減方法に用いられるＢＷＲプラントは、実施例１で用いられるＢＷＲプラントの炉心４に装荷される燃料集合体５として、外面にフェライト皮膜を形成した被覆管２２を用いた複数の燃料棒を有する燃料集合体ではなく、外面に親水性酸化物皮膜（例えば、チタン酸鉄皮膜）を形成した被覆管２２を用いた複数の燃料棒を有する燃料集合体を用いている。本実施例に用いられるＢＷＲプラントは、外面に親水性酸化物皮膜を形成した被覆管２２を用いた複数の燃料棒を有する複数の燃料集合体５を炉心４に装荷している。このＢＷＲプラントの他の構成は、実施例１で用いられるＢＷＲプラント１と同じ構成である。チタン酸鉄皮膜を形成した被覆管２２の替りに、外面にチタン酸亜鉛被膜またはチタン酸ジルコニウム皮膜を形成した被覆管２２を用いてもよい。

外面に親水性酸化物皮膜を形成した被覆管２２を用いた複数の燃料棒を有する燃料集合体５を炉心４に装荷したＢＷＲプラントの運転を開始する。このＢＷＲプラントの運転中において、実施例１と同様に、給水は中空子フィルタ１０を通過するので、ＲＰＶ３内に供給される給水の鉄酸化物濃度は、１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下に抑制される。このため、炉水に含まれる鉄酸化物（例えば、三酸化二鉄）の濃度が著しく低下する。炉水は、炉心４内で各燃料集合体５に設けられた各燃料棒の被覆管２２の外面に沿って上昇する。各被覆管２２の外面に親水性酸化物皮膜が形成されているので、炉水の沸騰により、親水性酸化物皮膜の表面、すなわち、被覆管２２の外面に生じたドライアウト面が、親水性酸化物皮膜の作用により速やかに冠水される。このため、ドライアウト面に付着したコバルト酸化物は溶解しやすいコバルト水酸化物（Ｃｏ（ＯＨ）_２）となって炉水に溶解される。
コバルト酸化物が長期に亘って被覆管２２の外面に付着して放射化されることを抑制することができる。この結果、燃焼度がさらに増大された燃料集合体５を炉心４に装荷した場合でも、炉水中の放射性コバルト（例えば、コバルト６０）の濃度を低減することができる。原子炉に接続されて炉水が流れる配管等の内面への放射性コバルトの付着、蓄積が抑制され、その配管等の表面線量率が低下する。したがって、燃料集合体の燃焼度をさらに増大させた場合においても、原子力プラントの運転停止後において定期検査を実施する作業員の放射線被ばくをさらに低減することができる。

本実施例も、中空子フィルタ１０の設置によって、ＲＰＶ３に供給される給水の酸化物濃度が１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下に抑制されるので、炉水中の放射性コバルトの濃度がさらに低減される。

外面に親水性酸化物皮膜を形成した被覆管２２は、図１４に示す皮膜形成装置２５Ｂを用いて製作される。金属のアルコキシドを原料として化学蒸着法を適用することによって、被覆管２２の外面にチタン酸化物皮膜を形成することができる。皮膜形成装置２５Ｂは、化学蒸着装置９０、原料供給装置９３及び排気装置９５を備えている。化学蒸着装置９０は、チャンバー９１及びチャンバー９１に設けられた加熱装置９２を有する。原料供給装置９３は原料供給管９４によってチャンバー９１に接続される。排気装置９５は、排気管９６によってチャンバー９１に接続される。

皮膜形成装置２５Ｂを用いた被覆管２２の外面への親水性酸化物皮膜の形成について説明する。両端部が封止された、皮膜を形成すべき複数の被覆管２２を、チャンバー９１内に収納する。排気装置９５を駆動してチャンバー９１内を真空にする。加熱器９２によってチャンバー９１内を加熱する。被覆管２２の外面にチタン酸化物皮膜を形成するために必要な原料が、原料供給装置９３からチャンバー９１内に供給される。この原料は金属のアルコキシドである。例えば、チタン酸鉄皮膜を形成する場合にはチタンのアルコキシド及び鉄のアルコキシドが用いられ、チタン酸亜鉛皮膜を形成する場合にはチタンのアルコキシド及び亜鉛のアルコキシドが用いられる。チタン酸ジルコニウム皮膜を形成する場合には、チタンのアルコキシド及びジルコニウムのアルコキシドが用いられる。

例えば、チタンのアルコキシド及び鉄のアルコキシドが、原料供給管９４を通して原料供給装置９３から、真空になって加熱されているチャンバー９１内に供給される。供給されたチタンのアルコキシド及び鉄のアルコキシドがチャンバー９１内で蒸発し、チタン酸鉄が被覆管２２の外面に付着される。このようにして、被覆管２２の外面にチタン酸鉄皮膜が形成される。加熱器９２による加熱を停止してチャンバー９１を常温（例えば、２０℃）に冷却する。排気装置９５の運転を停止してチャンバー９１内の圧力を大気圧にする。その後、外面に親水性酸化物皮膜（例えば、チタン酸鉄皮膜）が形成された被覆管２２をチャンバー９１から取り出す。この被覆管２２を用いて燃料集合体を製作する。

製造された、外面にコバルトを吸着して化合物を形成しない親水性酸化物皮膜が形成された被覆管２２を用いた複数の燃料棒を有する複数の燃料集合体５が、ＢＷＲプラントの運転停止後において、ＲＰＶ３内の炉心に装荷される。定期検査が終了した後、これらのより高燃焼度化された燃料集合体５を炉心４に装荷したＢＷＲプラントが起動される。ＢＷＲプラントの運転中において、前述したように、被覆管２２の外面に生じたドライアウト面が、親水性酸化物皮膜の作用により速やかに冠水されるので、炉水中の放射性コバルトの濃度が低減される。

１…沸騰水型原子力プラント、２…原子炉、３…原子炉圧力容器、４…炉心、５…燃料集合体、６…主蒸気配管、７…タービン、８…復水器、９…給水配管、１０…中空子フィルタ、１２…給水ポンプ、１５…再循環系配管、１７…炉水浄化系配管、１９…水素注入装置、２２…被覆管、２５，２５Ａ，２５Ｂ…皮膜形成装置、２６…被覆管収納容器、２７…循環配管、２８，８７…鉄（II）イオン注入装置、３３，８８…ｐＨ調整剤注入装置、３８，８９…酸化剤注入装置、４３…循環ポンプ、４４，９２…加熱器、４５…冷却器、４６…フィルタ、４７…脱塩器、７０…チャンバー、７５，７８，８１…スプレイ、７３，７４…運搬装置、９０…化学蒸着装置、９３…原料供給装置、９５…排気装置。

Claims

外面にフェライト皮膜を形成したジルコニウム合金製の被覆管を用いた複数の燃料棒を有する燃料集合体を、原子炉の炉心内に装荷し、その後、前記原子炉を運転することを特徴とする原子力プラントの放射線被ばく低減方法。
前記原子炉に供給する給水に含まれる鉄酸化物を除去する請求項１に記載の原子力プラントの放射線被ばく低減方法。
前記鉄酸化物の除去により、前記給水中の前記鉄酸化物の濃度を１×１０^-9ｍｏｌ／ｋｇ以下にする請求項２に記載の原子力プラントの放射線被ばく低減方法。
前記フェライト皮膜を形成する化合物が、四酸化三鉄、ニッケルフェライト及び亜鉛フェライトの中から選ばれた１種以上の化合物である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子力プラントの放射線被ばく低減方法。
前記被覆管への前記フェライト皮膜の形成は、前記燃料集合体の前記炉心に装荷する前において、鉄（II）イオン、酸化剤及びｐＨ調整剤を含むｐＨが５．５〜９．０の範囲内にある皮膜形成液を前記被覆管の前記外面に接触させることによって行われる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子力プラントの放射線被ばく低減方法。
フェライト皮膜が装荷前に外面に形成されたジルコニウム合金製の被覆管を用いた複数の燃料棒を有する複数の燃料集合体を装荷した炉心と、前記炉心に炉水を供給するポンプ装置とを備えたことを特徴とする原子力プラント。
前記フェライト皮膜が装荷前に前記外面に形成された前記被覆管は、装荷前において、鉄（II）イオン、酸化剤及びｐＨ調整剤を含むｐＨが５．５〜９．０の範囲内にある皮膜形成液を前記被覆管の前記外面に接触させることによって前記フェライト皮膜が前記外面に形成された前記被覆管である請求項６に記載の原子力プラント。
原子炉の炉心に装荷される前に外面にフェライト皮膜を形成したジルコニウム合金製の被覆管内に核燃料物質を充填した複数の燃料棒と、これらの燃料棒を束ねる複数の燃料スペーサと、前記各燃料棒の下端部を保持する下部保持部材と、前記各燃料棒の上端部を保持する上部保持部材とを備えたことを特徴とする燃料集合体。
前記フェライト皮膜が装荷前に前記外面に形成された前記被覆管は、装荷前において、鉄（II）イオン、酸化剤及びｐＨ調整剤を含むｐＨが５．５〜９．０の範囲内にある皮膜形成液を前記被覆管の前記外面に接触させることによって前記フェライト皮膜が前記外面に形成された前記被覆管である請求項８に記載の燃料集合体。