JP5404173B2 - 模擬試験装置および模擬試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、水に溶解した鉄濃度を微調整して試験を行う模擬試験装置および模擬試験方法に関する。

原子力発電所などでは、機器に使用されている炭素鋼の腐食により冷却水に鉄イオンが溶解すると、この鉄イオンが下流の機器表面に被膜となって付着して機器の性能を低下させるおそれがある。例えば、給水ポンプのインペラの表面に鉄イオンが付着すると軸動力が増加してしまう。また、例えば、高圧給水加熱器の内面に鉄イオンが付着すると差圧が上昇してしまう。さらに、蒸気発生器の伝熱管の内面に鉄イオンが付着すると熱効率が低下するおそれがある。

かかる問題に対し、従来、特許文献１に記載の水質制御システムおよび水質制御方法では、ＢＷＲ一次系、ＰＷＲ二次系などの系統について、腐食生成物の発生、持ち込み、付着などの抑制が図られている。

特開平１０−３３９７９３号公報

ところで、特許文献１の水質制御システムおよび水質制御方法のように、腐食生成物の付着などを抑制する場合、腐食生成物による機器の変化や、腐食生成物の付着抑制効果を把握するため、冷却水に腐食生成物を含有させた模擬試験が行われる。一般的な模擬試験としては、腐食生成物が鉄イオンの場合、試薬（例えば塩化鉄）の注入や、炭素鋼に流水を衝突させることで試験液に鉄イオンを含有させている。しかし、このような模擬試験では、鉄イオンの含有量、すなわち鉄濃度が急激に増減しやすく不安定であるため、機器の実際の使用環境を模擬することは難しく、腐食生成物による機器の変化や、水質の変化や、腐食生成物の付着抑制効果を正確に把握できない。このため、水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで微調整することが要求されている。

本発明は上述した課題を解決するものであり、鉄濃度を安定させると共に、水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで微調整することのできる模擬試験装置および模擬試験方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の模擬試験装置では、水を流通させる下流に模擬機器を配置した耐食性の主管と、前記主管の途中を迂回して設けられ、前記主管から水を流通させつつ前記主管に戻す耐食性のバイパス管と、前記バイパス管の途中に接続された管の内部に炭素鋼棒を複数挿入してなる鉄発生部と、前記バイパス管における前記鉄発生部よりも上流側に配置された耐食性の流量調整弁と、を備えたことを特徴とする。

この模擬試験装置によれば、バイパス管に炭素鋼からなる鉄発生部を設けたことにより、実際の機器と同様の使用環境を模擬して水中に鉄イオンを発生させる。しかも、流量調整弁によりバイパス管に流通する水の流量を調整することで鉄濃度が制御される。この結果、鉄濃度を安定させると共に、水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで微調整できる。

また、本発明の模擬試験装置では、前記鉄発生部は、前記主管に流通される水の流量５０［ｋｇ／ｈ］から１０００［ｋｇ／ｈ］に対し、炭素鋼の流通面積が１．０２［ｍ^２］以上２０．４［ｍ^２］以下の範囲に設定され、前記流量調整弁は、前記主管に流通される水の流量に対し、前記バイパス管に流通させる流量を０［％］以上５０［％］以下の範囲で調整可能に設定されている、ことを特徴とする。

この模擬試験装置によれば、鉄発生部により主管での流量に対する炭素鋼の流通面積の範囲が規定され、かつ流量調整弁により主管での流量に対するバイパス管での流量の調整範囲が規定されているため、鉄濃度を安定させると共に、水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで好適に微調整できる。

上述の目的を達成するために、本発明の模擬試験方法では、試験対象の模擬機器が下流に配置された主管に水を流通させる工程と、次に、前記主管の途中に設けられたバイパス管に水を流通させ、前記バイパス管に流通された水に炭素鋼を接触させて鉄イオンを溶解させる工程と、次に、前記バイパス管に流通される水の流量を調整する工程と、を含むことを特徴とする。

この模擬試験方法によれば、バイパス管の炭素鋼により、実際の機器と同様の使用環境を模擬して水に鉄イオンを発生させる。しかも、バイパス管に流通する水の流量を調整することで、鉄濃度が制御される。この結果、鉄濃度を安定させると共に、水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで微調整できる。

また、本発明の模擬試験方法では、前記バイパス管に流通された水に鉄イオンを溶解させる工程では、前記主管に流通される水の流量５０［ｋｇ／ｈ］から１０００［ｋｇ／ｈ］に対し、炭素鋼の流通面積が１．０２［ｍ^２］以上２０．４［ｍ^２］以下の範囲に設定された鉄発生部が適用され、前記バイパス管に流通される水の流量を調整する工程では、前記主管に流通される水の流量に対し、前記バイパス管に流通させる流量を０［％］以上５０［％］以下の範囲で調整する流量調整弁が適用されている、ことを特徴とする。

この模擬試験方法によれば、鉄発生部により主管での流量に対する炭素鋼の流通面積の範囲が規定され、かつ流量調整弁により主管での流量に対するバイパス管での流量の調整範囲が規定されているため、鉄濃度を安定させると共に、水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで好適に微調整できる。

本発明によれば、鉄濃度を安定させると共に、水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで微調整できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る模擬試験装置が対象とする原子力発電プラントの概略構成図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る模擬試験装置の概略構成図である。 図３は、鉄発生部の断面図である。 図４は、模擬試験結果を示す図である。 図５は、模擬試験結果を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

なお、本発明に係る模擬試験装置および模擬試験方法は、原子力プラントの機器を模擬したものである。原子力プラントとして、図１に示す加圧水型原子力プラント（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）への適用が好適であるが、沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲ：Boiling Water Reactor）や火力プラントなどへの適用を除外するものではない。

図１に示すように、加圧水型原子力プラントの原子炉格納容器１１内には、加圧水型原子炉１２および蒸気発生器１３が格納されている。加圧水型原子炉１２と蒸気発生器１３とは、冷却水配管（冷却材供給配管系）１４，１５を介して連結されている。冷却水配管１４には、加圧器１６が設けられ、冷却水配管１５には、冷却水ポンプ１５ａが設けられている。冷却水ポンプ１５ａは、一次冷却系として、一次系水（軽水）を、冷却水配管（冷却材供給配管系）１４，１５を介して加圧水型原子炉１２と蒸気発生器１３とを循環させる。加圧器１６は、加圧水型原子炉１２の炉心部における一次系水の沸騰を抑制するため、１５０〜１６０気圧程度の高圧状態を維持するように制御される。

蒸気発生器１３は、蒸気タービン１７に冷却水配管１８を介して連結されている。蒸気タービン１７は、高圧タービン１９および低圧タービン２０を有すると共に、発電機２１が接続されている。また、高圧タービン１９と低圧タービン２０との間には、湿分分離加熱器２２が設けられており、冷却水配管１８から分岐した冷却水分岐配管２３が湿分分離加熱器２２に連結され、高圧タービン１９と湿分分離加熱器２２が低温再熱管２４により連結されていると共に、湿分分離加熱器２２と低圧タービン２０が高温再熱管２５により連結されている。さらに、蒸気タービン１７の低圧タービン２０は、復水器２６を有している。復水器２６には、冷却水（例えば、海水）を給排する取水管２７および排水管２８が連結されている。この復水器２６は、冷却水配管２９を介して脱気器３０に連結されている。そして、冷却水配管２９には、復水ポンプ３１および低圧給水加熱器３２が設けられている。また、脱気器３０は、冷却水配管３３を介して蒸気発生器１３に連結されている。冷却水配管３３には、給水ポンプ３４および高圧給水加熱器３５が設けられている。復水ポンプ３１および給水ポンプ３４は、二次系水（純水）を、復水ポンプ３１により復水器２６から冷却水配管２９を介して低圧給水加熱器３２を経て脱気器３０に送り、給水ポンプ３４により冷却水配管３３を介して高圧給水加熱器３５を経て蒸気発生器１３に送る。

従って、加圧水型原子力プラントでは、一次系水は、加圧水型原子炉１２により燃料（原子燃料）としての低濃縮ウランまたはＭＯＸにより加熱され、かつ加圧器１６により所定の高圧に維持された状態で、冷却水配管１４を通して蒸気発生器１３に送られる。蒸気発生器１３では、高圧高温の一次系水と二次系水との間で熱交換が行われ、冷やされた一次系水は、冷却水配管１５を通して加圧水型原子炉１２に戻される。

また、蒸気発生器１３にて、高圧高温の一次系水と熱交換を行って生成された二次系水の蒸気は、冷却水配管１８を通して蒸気タービン１７（高圧タービン１９から低圧タービン２０）に送られ、この蒸気により蒸気タービン１７を駆動して発電機２１により発電を行う。このとき、蒸気発生器１３からの蒸気は、高圧タービン１９を駆動した後、湿分分離加熱器２２で蒸気に含まれる湿分が除去されると共に、加熱されてから低圧タービン２０を駆動する。そして、蒸気タービン１７を駆動した蒸気は、復水器２６で冷却されて復水となり、低圧給水加熱器３２で、例えば、低圧タービン２０から抽気した低圧蒸気により加熱され、脱気器３０で溶存酸素や不凝結ガス（アンモニアガス）などの不純物が除去される。その後、二次系水は、高圧給水加熱器３５で、例えば、高圧タービン１９から抽気した高圧蒸気により加熱された後、蒸気発生器１３に戻される。

このような加圧水型原子力プラントにおいては、二次冷却系の冷却水配管２９および冷却水配管３３や、脱気器３０、復水ポンプ３１、低圧給水加熱器３２、給水ポンプ３４および高圧給水加熱器３５におけるケーシングなどの機器は、炭素鋼で構成されている。すなわち、各機器を構成する炭素鋼から時間の経過とともに腐食生成物としての鉄イオンが二次系水に溶解し、下流の機器表面に被膜となって付着して機器の性能を低下させるおそれがある。例えば、給水ポンプ３４のインペラの表面に鉄イオンが付着すると軸動力が増加してしまう。また、例えば、高圧給水加熱器３５の内面に鉄イオンが付着すると差圧が上昇してしまう。さらに、蒸気発生器１３の伝熱管の内面に鉄イオンが付着すると熱効率の低下や、伝熱管の腐食を助長させることがある。

そこで、鉄イオンの付着などを抑制するにあたり、鉄イオンによる機器の変化を把握するため、本実施の形態の模擬試験装置１が適用される。

模擬試験装置１は、図２に示すように、主管２と、該主管２の途中を迂回して設けられたバイパス管３とを有している。主管２は、二次系水同等の純水が流通されるもので、ステンレスなどの耐食性の優れた材料により構成されている。主管２の下流側には、試験対象の機器を模擬した模擬機器４が配置されている。ここで、模擬機器４が、上述した脱気器３０、低圧給水加熱器３２、高圧給水加熱器３５および蒸気発生器１３における伝熱管などの機器を模擬する場合は、純水を主管２に流通させるため、主管２の上流側に送水ポンプ５が配置される。この送水ポンプ５も、ステンレスなどの耐食性の優れた材料により構成されている。一方、模擬機器４が、上述した復水ポンプ３１および給水ポンプ３４などのように、純水を主管２に流通させることができる機器を模擬する場合は、送水ポンプ５は設けなくてよい。

バイパス管３は、主管２から純水を流通させつつ主管２に戻すように、主管２に流通される純水を迂回させるもので、ステンレスなどの耐食性の優れた材料により構成されている。このバイパス管３の途中には、鉄発生部６が配置されている。鉄発生部６は、図３に示すように、炭素鋼管（管）６ａと炭素鋼棒６ｂとで構成されている。炭素鋼管６ａは、炭素鋼で形成された管状体であり、バイパス管３の途中に接続されるものである。炭素鋼棒６ｂは、炭素鋼で形成された棒状体であり、炭素鋼管６ａの内部に複数挿入されるものである。炭素鋼棒６ｂは、丸棒であることが好ましいが、角棒であってもよい。この鉄発生部６は、主管３に流通される純水の流量Ｑｍ［ｋｇ／ｈ］が５０［ｋｇ／ｈ］から１０００［ｋｇ／ｈ］に対し、炭素鋼の純水に対する流通面積（炭素鋼が流通する純水に接触する面積）Ａが、１．０２［ｍ^２］以上２０．４［ｍ^２］以下の範囲に設定されている。また、炭素鋼管６ａの外周には、鉄発生部６での純水の温度低下を抑えるために保温部６ｃが設けられている。保温部６ｃは、ヒータや断熱材などで構成されている。

また、バイパス管３における鉄発生部６の上流側には、流量調整弁７が配置されている。流量調整弁７は、主管２の純水をバイパス管３に流通させ、かつバイパス管３に流通させた純水の流量を調整するもので、ステンレスなどの耐食性の優れた材料により構成されている。流量調整弁７は、バイパス管３に流通させる流量Ｑｓを、主管２に流通される純水の流量Ｑｍの０［％］以上５０［％］以下の範囲で調整可能に設定されている。

また、バイパス管３の下流側には、開閉弁８が配置されている。開閉弁８は、バイパス管３の下流側を開放または閉塞するもので、ステンレスなどの耐食性の優れた材料により構成されている。

また、バイパス管３よりも上流となる主管２の部位には、純水を加熱する加熱器９が配置されている。

また、バイパス管３の下流側には、サンプル取出部１０が配置されている。サンプル取出部１０は、バイパス管３から繋がる取出管１０ａと、取出管１０ａを開放または閉塞する取出開閉弁１０ｂとを有し、ステンレスなどの耐食性の優れた材料により構成されている。

このような模擬試験装置１を用いた模擬試験方法では、まず、送水ポンプ５を稼働し、流量調整弁７および開閉弁８を閉塞して主管２にのみ純水を流通させる。ここで、加熱器９を稼働して加圧水型原子力プラントの二次冷却系における温度相当（例えば、２２０［℃］）に純水を加熱する。次に、流量調整弁７および開閉弁８を開放してバイパス管３に純水を流通させ、バイパス管３に流通された純水に鉄イオンを溶解させる。すなわち、バイパス管３に流通された純水が、鉄発生部６の炭素鋼管６ａの内面および炭素鋼棒６ｂの外面に接触することで、炭素鋼の鉄イオンが純水に溶解される。さらに、純水に鉄イオンを溶解させる工程では、鉄発生部６に設けられた保温部６ｃにより鉄発生部６での純水の温度低下が抑えられる。次に、開閉弁８を開放しつつ流量調整弁７を所定の開度に開放してバイパス管３に流通される純水の流量、すなわち主管２に流通して模擬機器４に至る鉄濃度を調整しつつ試験を行う。なお、純水に鉄イオンを溶解させる工程、または鉄濃度を調整して試験を行う工程において、取出開閉弁１０ｂを開放して取出管１０ａからサンプルを取り出し、バイパス管３の鉄発生部６下流での鉄濃度を実測してもよい。

図４は、復水ポンプ３１や給水ポンプ３４を模擬機器４とした場合での模擬試験結果を示し、図５は、低圧給水加熱器３２や高圧給水加熱器３５を模擬機器４とした場合での模擬試験結果を示す。かかる模擬試験では、純水のｐＨ９．２、純水温度２２０［℃］、純水圧力６．１２ＭＰｓの環境で、バイパス管３の鉄発生部６下流においてサンプル取出部１０にて取り出したサンプルの鉄濃度が２０［ｐｐｂ］以上４０［ｐｐｂ］以下の範囲である。そして、流量調整弁７でのバイパス管３に流通させる流量Ｑｓを、主管２に流通される純水の流量Ｑｍの０［％］以上５０［％］以下の範囲とすることで、主管２にて模擬機器４に至る鉄濃度が０．５［ｐｐｂ］以上１０［ｐｐｂ］以下の範囲に調整される。これにより、図４に示すように、試験時間の経過に伴って、ポンプの軸動力の上昇、すなわちポンプの出力が低下する過程がわかる。また、図５に示すように、試験時間の経過に伴って、給水加熱器の差圧の上昇、すなわち給水加熱器の性能が低下する過程がわかる。よって、この模擬試験結果に応じて、機器への鉄イオンの付着を適宜抑制することができる。また、この模擬試験装置において、模擬機器への鉄イオンの付着抑制効果を試験することも可能である。

このように、本実施の形態の模擬試験装置１では、純水を流通させる下流に模擬機器４を配置した耐食性の主管２と、主管２の途中を迂回して設けられ、主管２から純水を流通させつつ主管２に純水を戻す耐食性のバイパス管３と、バイパス管３の途中に接続された炭素鋼管（管）６ａの内部に炭素鋼棒６ｂを複数挿入してなる鉄発生部６と、バイパス管３における鉄発生部６よりも上流側に配置された耐食性の流量調整弁７とを備えている。

また、本実施の形態の模擬試験方法では、試験対象の模擬機器４が下流に配置された主管２に水を流通させる工程と、次に、主管２の途中に設けられたバイパス管３に水を流通させ、バイパス管３に流通された水に炭素鋼を接触させて鉄イオンを溶解させる工程と、次に、バイパス管３に流通される水の流量を調整する工程とを含む。

この模擬試験装置１および模擬試験方法によれば、バイパス管３に炭素鋼からなる鉄発生部６を設けたことにより、実際の機器と同様の使用環境を模擬して純水に鉄イオンを発生させる。しかも、流量調整弁７によりバイパス管３に流通する純水の流量を調整することで鉄濃度が制御される。このため、鉄濃度を安定させると共に、純水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで微調整することが可能になる。この結果、腐食生成物（鉄イオン）による機器の変化や、水質の変化や、腐食生成物の付着抑制効果を正確に把握することが可能になる。

なお、鉄発生部６は、炭素鋼棒６ｂが純水に接触して鉄イオンを発生させることができるので、炭素鋼管６ａが炭素鋼以外のステンレスなどの耐食性の優れた材料により構成された管であってもよい。ただし、炭素鋼の純水への接触面積を稼ぎ、より安定して鉄イオンを発生させるために、炭素鋼管６ａが炭素鋼で構成されていることが好ましい。

なお、鉄発生部として、炭素鋼管内にワイヤやメッシュを配置しても純水中に鉄イオンを発生させることが可能であるが、ワイヤやメッシュは急速に酸化してしまうことから、鉄イオンの発生を持続することが難しい。この点、本実施形態の鉄発生部６のように炭素鋼管６ａの内部に炭素鋼棒６ｂを複数挿入した構成であれば、鉄イオンの発生を持続すると共に、安定させることが可能である。

しかも、バイパス管３に鉄発生部６を設けたことで、主管２の純水と同等の条件下で発生させた鉄イオンを主管２の純水に含有させることが可能である。

また、本実施の形態の模擬試験装置１では、鉄発生部６は、主管２に流通される純水の流量Ｑｍ［ｋｇ／ｈ］が５０［ｋｇ／ｈ］から１０００［ｋｇ／ｈ］に対し、炭素鋼の流通面積Ａが１．０２［ｍ^２］以上２０．４［ｍ^２］以下の範囲に設定され、流量調整弁７は、バイパス管３に流通させる流量Ｑｓが、主管に流通される水の流量Ｑｍの０［％］以上５０［％］以下の範囲で調整可能に設定されている。

また、本実施の形態の模擬試験方法では、バイパス管３に流通された水に鉄イオンを溶解させる工程では、主管２に流通される水の流量Ｑｍ［ｋｇ／ｈ］が５０［ｋｇ／ｈ］から１０００［ｋｇ／ｈ］に対し、炭素鋼の流通面積Ａが１．０２［ｍ^２］以上２０．４［ｍ^２］以下の範囲に設定された鉄発生部６が適用され、バイパス管３に流通される水の流量を調整する工程では、バイパス管３に流通させる流量Ｑｓを、主管２に流通される水の流量Ｑｍの０［％］以上５０［％］以下の範囲で調整する流量調整弁７が適用される。

この模擬試験装置１および模擬試験方法によれば、鉄発生部６により主管２での流量Ｑｍに対する炭素鋼の流通面積Ａの範囲が規定され、かつ流量調整弁７により主管２での流量Ｑｍに対するバイパス管３での流量Ｑｓの調整範囲が規定されているため、純水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで好適に微調整することが可能になる。

以上のように、本発明に係る模擬試験装置および模擬試験方法は、鉄濃度を安定させると共に、水中の鉄濃度をｐｐｂレベルで微調整することに適している。

１ 模擬試験装置
２ 主管
３ バイパス管
４ 模擬機器
５ 送水ポンプ
６ 鉄発生部
６ａ 炭素鋼管
６ｂ 炭素鋼棒
６ｃ 保温部
７ 流量調整弁
８ 開閉弁
９ 加熱器
１０ サンプル取出部
１０ａ 取出管
１０ｂ 取出開閉弁
Ａ 鉄発生部の流通面積
Ｑｍ 主管の流量
Ｑｓ バイパス管の流量

Claims (4)

1. 水を流通させる下流に模擬機器を配置した耐食性の主管と、
   前記主管の途中を迂回して設けられ、前記主管から水を流通させつつ前記主管に戻す耐食性のバイパス管と、
   前記バイパス管の途中に接続された管の内部に炭素鋼棒を複数挿入してなる鉄発生部と、
   前記バイパス管における前記鉄発生部よりも上流側に配置された耐食性の流量調整弁と、
   を備えたことを特徴とする模擬試験装置。
2. 前記鉄発生部は、前記主管に流通される水の流量５０［ｋｇ／ｈ］から１０００［ｋｇ／ｈ］に対し、炭素鋼の流通面積が１．０２［ｍ^２］以上２０．４［ｍ^２］以下の範囲に設定され、
   前記流量調整弁は、前記主管に流通される水の流量に対し、前記バイパス管に流通させる流量を０［％］以上５０［％］以下の範囲で調整可能に設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の模擬試験装置。
3. 試験対象の模擬機器が下流に配置された主管に水を流通させる工程と、
   次に、前記主管の途中に設けられたバイパス管に水を流通させ、前記バイパス管に流通された水に炭素鋼を接触させて鉄イオンを溶解させる工程と、
   次に、前記バイパス管に流通される水の流量を調整する工程と、
   を含むことを特徴とする模擬試験方法。
4. 前記バイパス管に流通された水に鉄イオンを溶解させる工程では、前記主管に流通される水の流量５０［ｋｇ／ｈ］から１０００［ｋｇ／ｈ］に対し、炭素鋼の流通面積が１．０２［ｍ^２］以上２０．４［ｍ^２］以下の範囲に設定された鉄発生部が適用され、
   前記バイパス管に流通される水の流量を調整する工程では、前記主管に流通される水の流量に対し、前記バイパス管に流通させる流量を０［％］以上５０［％］以下の範囲で調整する流量調整弁が適用されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の模擬試験方法。

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