JP5543108B2 - 加圧水型原子炉の一次冷却系統における加圧装置、及びその加圧装置を作る方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、加圧水型原子炉の一次冷却系統における加熱装置のための加熱ロッドに関する。

より詳しくは、本発明は、第１の観点においては、加圧水型原子炉の一次冷却系統における加圧装置の加熱ロッドであって、外面を有し、長手方向に細長い形状である金属外被と、外被の内側に取り付けられた加熱要素とを備えているようなタイプの加熱ロッドに関する。

そうしたロッドは、通常、加圧装置の下方部分に取り付けられ、加圧装置に部分的に充填された一次冷却系統の水に浸漬される。ロッドは、原子炉の一次冷却系統の運転圧力を高めることを望むとき、動作する。ロッドは、水を沸点まで加熱して、その一部分を蒸発させる。

従来技術の加熱ロッドにおいては、漏れが生じることが見い出された。１つのロッドの外被が時々クラックして、ロッドの内側は、加圧装置の内側の水と通じる。

そうした漏れは、ロッドの加熱要素の損傷、ロッドの運転損失、及びロッドの内部空間を通して、加圧装置の外部への加圧水の漏れにつながる。

この文脈において、本発明は、改良された信頼性を有する加熱ロッドを提案することを目的としている。

このために、本発明は、上述したタイプの加熱ロッドであって、外被の外面の少なくとも一部分を被覆している、耐腐食性コーティングを備えていることを特徴とするものに関する。

また、ロッドは、個別的に又はすべての技術的に可能な組合せに従って考えられる、１又は複数の以下の特性を有する。
− コーティングは、主として、ニッケルから構成されていること、
− コーティングは、少なくとも９５重量％のニッケルから構成されていること、
− コーティングは、ニッケル塩類の電気分解槽によって、外面に堆積されていること、
− コーティングは、５０マイクロメータを越える厚みを有していること、
− ロッドは、活性加熱領域を備え、コーティングは、活性加熱領域の少なくとも全体に沿って長手方向に延びていること、
− コーティングは、保護距離にわたって、活性加熱領域の両側の長手方向に連続していること、
− 保護距離は、１０ミリメートルを越えていること、及び、
− 外被は、オーステナイト系ステンレス鋼から作られていること。

第２の観点によれば、本発明は、上述したタイプの加熱ロッドにおける金属外被の処理方法に関し、この方法は、浴槽と浴槽に浸漬された電極とを備えた電気分解セルの中で、外被の外面における少なくとも一部分にコーティングを堆積させる段階を備え、浴槽は、主として、ニッケルスルファメート、塩化ニッケル、及び、ほう酸を含み、外被が、浴槽内に配置されて、電極と外被との間に電流が維持されることを特徴とする。

また、方法は、個別的に又はすべての技術的に可能な組合せに従って考えられる、１又は複数の以下の特性を有する。
− 堆積段階中に、浴槽のｐＨは、３〜５に維持されること、
− 電極は、可溶性のニッケルから作られていること、
− 電流は、堆積段階中に処理されるべき外被の外面において、５〜５０アンペア／平方デシメートルの電流密度に維持されること、
− コーティングを堆積する段階に先行して、浴槽と浴槽に浸漬した電極とを備えた電気分解セルの中で、外被の外面の少なくとも一部分に接着層を堆積させる予備的段階を備え、浴槽は、ワットの浴槽であって、主として、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、及び、ほう酸を含み、外被が、浴槽内に配置されて、電極と外被との間に電流が維持されること、
− 予備段階中に、浴槽のｐＨは、３〜５に維持されること、及び
− 接着層は、１０マイクロメータ未満の厚みを有していること、である。

本発明の他の特性及び利点は、添付図面を参照して、以下に例示的に与えられ、いかなる制限も含意しない、本発明の説明によって明らかになるだろう。

図１は、加圧水型原子炉の一次冷却系統１を示している。系統１は、内部に核燃料集合体が配置された容器２と、一次部分及び二次部分を有する蒸気発生器４と、一次ポンプ６と、加圧装置８とを備えている。容器２と、蒸気発生器４と、ポンプ６とは、一次配管１０の部分によって接続されている。系統１は、一次冷却水を含んでおり、水は、ポンプ６によって容器２へ向けてポンプ送出され、燃料集合体に接触して加熱されつつ容器２を通過して、次に、蒸気発生器４の一次部分を通過してから、ポンプ６の入口側に戻される。容器２で加熱された一次冷却水は、蒸気発生器４において、発生器の二次部分を通過する二次冷却水にその熱を与える。二次冷却水は、二次冷却系統（図示せず）における閉ループ内を循環する。二次冷却水は、発生器４を通過するときに蒸発し、発生した蒸気は、蒸気タービンを駆動する。

加圧装置８は、容器２を発生器４に接続している部分１０にて分岐した導管１８によって、一次配管の枝として取り付けられている。加圧装置は、ポンプ６及び容器２に比べて高い高さにある。加圧装置８は、実質的に円筒形に形成された外被１１を備え、外被は、垂直軸線を有し、ドーム１２及び底部１４を備えている。底部１４は、中心オリフィス１６（図２）を備え、これは、導管１８によって、一次配管に接続されている。

また、加圧装置８は、ドーム１２を通り抜ける枝結合２０を有してなる噴霧手段１９と、外被１１の内側に配置され、枝結合２０に取り付けられた噴霧ノズル２１と、ポンプ６の出口側の領域において、枝結合２０を一次配管に接続している配管２２と、配管２２内の一次冷却水がノズル２１に流れることを許容又は阻止する手段（図示せず）とを備えている。

また、一次冷却系統１は、安全回路２３を備えており、安全回路は、オーバーフロータンク２４と、タンク２４を加圧装置のドーム１２に接続する配管２５と、タンク２４と加圧装置８との間の配管２５に介在されている安全弁２６とを備えている。

加圧装置８の内部空間は、一次冷却系統１と連通しており、加圧装置８は、一次冷却水で永久的に部分的に充填され、加圧装置の内部の水のレベルは、一次冷却系統の現在の運転圧力に依存している。加圧装置８の頂部は、蒸気で満たされ、その圧力は、発生器４に接続された一次配管１０を循環する水の圧力と実質的に等しい圧力になっている。

加圧装置が過大な圧力になると、弁２６が開いて、蒸気はタンク２４に吸引され、タンクの中で凝縮する。

加圧装置８は、数十本の電気加熱ロッド２８を備えている。ロッドは、垂直に配置されて、底部１４に取り付けられる。ロッドは、その目的のために設けられたオリフィスによって、底部１４を通り抜け、ロッドと底部１４との間には、密封手段が介在されている。

ロッド２８は、代表的に、１ｍ〜２．５０ｍの大きな長さを有し、それらの長さに対して小さい横断面を有している。

それぞれのロッド２８は、加圧装置の外被１１の内側に配置された部分３０（図２）を備え、加圧装置を部分的に充填している水に浸漬されており、また、底部１４のオリフィスに取り付けられた中間部分３２と、外被１１の外側に配置された結合部分３４とを備えている。

図４に示すように、浸漬部分３０は、ステンレス鋼又は合金から作られた円筒形の形状の外被３６と、一般に、中心軸線に従って外被３６の内側に配置された中心マンドレル３８と、螺旋状にマンドレル３８のまわりに巻き付けられ、マンドレル３８と外被３６との間に介在された加熱ワイヤ４０とを備えている。

加熱ワイヤ４０は、例えば、銅又はニッケルクロム合金から作られた、導電抵抗金属コア４２と、鋼４４から作られて、コア４２を取り囲み、酸化マグネシウムによって電気的に絶縁された金属シースとを備えている。これは、外被３６の内面に接触している。

ワイヤ４０は、浸漬部分３０において、中央の長手方向の加熱領域４６と、加熱領域４６の両側に配置された、２つの長手方向の非加熱領域４８とを形成するように配置されている。

加熱領域４６においては、マンドレル３８は、銅から作られ、ワイヤ４０は、連続的なターンを形成するように、マンドレル３８のまわりに巻き付けられている。

ワイヤ４０は、中間部分３２に沿ってその内側に延び、部分３４に配置された電気コネクタ４９に接続されている。コネクタ４９は、発電機（図示せず）に電気的に接続され、発電機は、ワイヤ４０に電流を流すことができるようになっている。

浸漬部分３０は、例えば、２１５０mmの長手方向長さを有する。加熱領域４６は、例えば、１１００mmの長手方向長さを有する。領域４６と中間部分３２との間に介在された非加熱領域４８は、例えば、４５０mmの長手方向長さを有する。加熱領域４６における他方の側に配置された非加熱領域４８は、およそ５５０mmの長手方向長さを有する。外被３６の直径は、部分３０の全体に沿って一定であり、例えば、２２mmである。部分３２及び３４は、例えば、合計で３４０mmの長手方向長さを有する。

それぞれのロッド２８の電力は、６〜３０ｋＷの間で変化する。これは、外被３６の外面の領域について考えたとき、２０〜５０Ｗ／cm₂の間で変化する熱流を発生する。

加圧装置８はさらに、図２に示すように、ロッド２８を保持するために、案内板５０を備えている。案内板５０は、加圧装置８の内側部分の全体にわたって、実質的に水平に延びている。それらは、加圧装置８における異なる垂直レベルにて、一方が他方の上に配置されている。それぞれの案内板は、板５０を通って水が流れるためのスロット５２と、ロッド２８を案内するための孔５４とを備えている。

孔５４は、円形であり、ロッドの浸漬部分３０における外径に比べて、わずかに大きな直径になっている。部分３０は、様々な板５０を通り抜け、上に重ねられた孔５４を通り、ロッド２８がいくつかのレベルにて案内され、板５０によって実質的に垂直な方位に維持されるようになっている。ロッドの外被３６は、通常は、孔５４の縁部と接触していない。

加圧装置８の機能は、一次冷却系統の水の圧力を制御することである。加圧装置は、配管１８によって一次配管に連通しているので、膨張容器として機能する。従って、一次冷却系統中を循環する水の体積が増減すると、加圧装置８の内側の水のレベルは、これに従って、上下する。

水の体積のかかる変動は、例えば、一次冷却系統への水の注入、又は、一次冷却系統の運転温度の変動の結果である。

また、加圧装置８は、一次冷却系統の運転圧力を増減させるように働く。

一次冷却系統の運転圧力を高めるためには、加熱ロッド２８に電力を供給し、加熱ロッドが加圧装置の下方部分に収容された水を加熱して、沸点にする。いくらかの水が沸騰するので、加圧装置８の頂部の圧力は高まる。蒸気は、絶えず、一次冷却系統１を循環する水と流体静力学的平衡にあるので、一次冷却系統１の運転圧力は増加する。

一次冷却系統１の運転温度を下げるためには、加圧装置８の頂部に配置された噴霧ノズル２１を動作状態に設定し、配管２２に水を流すべく、かかる目的のために設けられた手段の助けを用いる。ポンプ６の出口側の一次配管１０から回収された水は、加圧装置８の頂部に放出され、いくらかの蒸気を凝縮させる。加圧装置８の頂部における蒸気の圧力が低下すると、一次冷却系統１の運転圧力も低くなる。

図４に示すように、加熱ロッド２８は、それぞれ、外被３６の外面６２の少なくとも一部分を被覆する耐腐食性コーティング６０を備えている。コーティング６０は、ロッドの加熱領域４６の全体にわたって長手方向に延び、また、領域４６の両側に保護距離にわたって長手方向に延びている。保護距離は、１０mmを越え、好ましくは、３０mmを越え、代表的には、５０mm〜１００mmのオーダーである。コーティング６０は、外被３６の外周全体にわたっており、加熱領域４６と、領域４８における保護距離にわたる部分とにおいて、完全に外被３６を被覆している。

コーティング６０は、主として、ニッケルからなり、好ましくは、少なくとも９５重量％のニッケルを含んでいる。好ましい実施形態においては、コーティングは、純粋な又は事実上純粋なニッケルであって、後述するように、電気分解的に堆積される。

コーティング６０は、５０μｍを越え、２００μｍ未満の厚みを有する。好ましくは、それは、およそ１００μｍの厚みを有する。

次に、外被の表面６２にコーティング６０を堆積する方法について説明する。

方法の主たる段階は、図５に示したタイプの電気分解セルにおいて実行される。セル６４は、処理浴槽を収容し、入口６８及び出口７０が設けられた容器６６と、容器の出口７０から入口６８への浴槽を形成する液体を循環させるためのポンプ７２と、浴槽に浸漬された電極７４と、発電機７６とを備えている。電極７４は、可溶性のニッケルから作られている。発電機７６は、一方では、電極７４に、他方では、処理されるべきロッド２８に電気的に接続されている。発電機は、電極７４と処理されるべきロッド２８との間に電位差を維持するのに適している。

処理方法は、以下の連続した段階を備えている。

段階１：処理されるべき加熱ロッド２８の準備。ロッドは、すべての内部要素（コア３８、加熱ワイヤ４０）を備えている。

段階２：外被３６の外面６２の脱脂。

段階３：硫酸を用いた、コーティングすべき表面の酸洗い。

段階４：コーティングされるべき表面層を溶かすための逆極性電撃。この段階は、セル６４内で実行される。その場合、セル６４は、適当な水溶液で満たされ、ロッドの浸漬部分３０は、水溶液に浸漬され、発電機７６を取り付けて、外被３６を正の電位に、電極７４を負の電位に維持する。この段階の最後には、外被３６の元の表面層は溶解され、新たに形成された受動膜で被覆された新たな表面に置き換えられる。

段階５：コーティングされるべき表面を脱不動態化するための正極性電撃。この段階は、電気分解セル６４内で実行される。その場合、セル６４は、適当な電気分解浴で満たされ、ロッドの部分３０は、同じく、浴槽に浸漬される。このとき、発電機７６は、外被３６が負の電位に、電極７４が正の電位に維持されるように取り付けられる。この段階によれば、先行する段階４にて形成された受動膜を除去し、外被３６の金属を露出させて、コーティング６０を良好に付着させる。

段階６：接着層の堆積。接着層は、コーティング６０の一部分を形成し、事実上、ニッケルを含まない。それは、１０μｍ未満、好ましくは、２μｍの厚みを有する。この段階中には、容器６６は、強い酸性のワットの浴槽で満たされ、これは、主として、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、及び、ほう酸からなる。水溶液のｐＨは、３〜５の間に維持される。発電機７６は、電極７４を正の電位に、外被３６を負の電位に維持する。ポンプ７２は、段階６中に、絶えず浴槽を再循環させるように働き、液体の流れは、出口７０を通して容器６６から回収され、入口６８を通して再注入される。

段階７：実際のコーティング６０の堆積であって、接着層もコーティング６０の一部分を形成する。堆積は、セル６４内で実行される。容器６６は、スルファメートの浴槽で満たされ、実質的に、ニッケルスルファメート、塩化ニッケル、及び、ほう酸を含む。浴槽のｐＨは、この段階中には、３〜５の間に維持され、好ましくは、およそ４．５である。発電機７６は、電極７４を正の電位に、外被３６を負の電位に維持する。従って、電極７４と、ロッドの外被３６との間には電流が維持され、電流密度は、処理されるべき外被の外面において、５〜５０アンペア／dm₂である。好ましくは、電流密度は、２０アンペア／dm₂のオーダーである。段階７中に堆積されるニッケル層は、１００μｍのオーダーの厚みを有する。

段階３〜段階７中に、ロッドの外面６２におけるコーティングを受けていない部分は、例えば、有機ワニスなど、適当な保護層によって保護される。

本願で開示した加熱ロッド及び処理方法は、多数の利点を有している。

外被３６の外面の一部分を被覆するコーティング６０によれば、ロッドは腐食に対して保護され、ロッドの運転パフォーマンスは向上する。

発明者らが実際に見い出したところによれば、所定の運転条件の下では、ロッドの加熱領域４６と案内板５０との間に、より正確には、領域４６と孔５４の縁部との間に、腐食媒体が発達する。その隙間は、閉じ込められた空間を構成し、その中では、水はさほど循環せず、ゆっくりと交換され、その空間では沸騰の過熱が生じ、腐食媒体の生成につながる。

コーティング６０は、特に、板５０の領域において、外被３６がひび割れて、ロッド２８の内側が一次冷却水と連通する原因となる、外被３６に応力腐食が生じるのを防ぐことを可能にする。その結果、ロッド２８の信頼性が向上する。

ロッドの外被を部分的に被覆するために、上述した例において選ばれた電気分解のニッケルコーティングは、特に適しており、というのは、
− 加熱ロッドの外被３６を構成しているステンレス鋼と互換性があること、
− 高い純粋さのために、一次冷却系統に許容されること、
− 加圧装置の特性運転条件（一次冷却水の化学組成、温度、圧力）の下で、腐食に耐えること、及び、
− 公称の一次媒体において、応力腐食に抵抗力があること、である。

可溶性のニッケルから作られた電極７４は、コーティング６０を堆積させるのに用いるセル６４において使用するのに、特に適しており、というのは、段階６及び段階７中に、浴槽の組成を事実上一定に保ち、その結果、ニッケルコーティング作業中にわたって、ニッケルの品質を一定で再現性があるように保証するためである。

加えて、方法のすべての段階は、代表的には６０℃など、銅の融点よりはるかに低い温度にて実行される。従って、ニッケルの堆積作業中に、ロッドにおける電気部分（銅線）を損傷するリスクは存在せず、従って、電気的な故障をもたらすリスクもない。

コーティング６０は、腐食に対して抵抗力があり、それには、原子炉の一次冷却系統の熱試験の状況、又は、サイクル膨張の状況が含まれ、これらの両方の状況において、基本的な媒体を加圧装置に展開させることが可能になる。サイクル膨張の状況は、いくつかの燃料集合体の除荷のための２回のコールドシャットダウンの間の原子炉の長期の使用に対応している。

加熱ロッドの幾何学形状は、従来技術と比べて、事実上変化していない。浸漬部分３０に正確に同じ直径を得るために、電気分解コーティングを堆積する前に、外被を研磨しておよそ１００μｍの層を除去することも可能である。

本願に開示された加熱ロッド２８及び処理方法には、多数の変形例がある。

コーティング６０は、浸漬部分３０の全体をカバーすることもでき、領域４６だけでなく、領域４６の両側に配置された領域４８が含まれる。

コーティング６０のためには、ニッケル以外の材料を使用することも可能である。そうした材料は、例えば、クロム、又は、白金又は金など、ニッケルに比べて高貴な材料でもよい。

ロッド２８は、本願に開示されたもの（マンドレル３８、加熱ワイヤ４０）とは異なった内部部品を備えてもよい。

ロッド２８の外被３６は、オーステナイト系ステンレス鋼から作らずに、例えば、インコネル６９０から作ってもよい。

加熱ロッドは、本願において述べたのとは異なる寸法を有することができる（部分３０の全長、外径、加熱領域４６の長さ、非加熱領域４８の長さなど。）。

加圧水型原子炉の一次冷却系統を模式的な形態にて示した概略図であって、本発明による加熱ロッドを備えた加圧装置が含まれている。 図１の加圧装置の下方部分を、垂直な平面において破断した断面図である。 図１及び図２の加圧装置における加熱ロッドの上方部分を示した拡大図である。 図３のロッドにおける部分IVを示した部分拡大図であって、ロッドの長手方向の平面における断面を示している。 図１乃至図４のロッドに耐腐食性コーティングを堆積するのに適した、電気分解セルを模式的な形態にて示した概略図である。

Claims (15)

1. 加圧水型原子炉の一次冷却系統（１）における加圧装置（８）であって、
   加圧装置（８）は、底部（１４）を有している外被（１１）と、底部（１４）を通り抜けるいくつかの加熱ロッド（２８）とを備え、
   加圧装置（８）は、加圧装置（８）の異なる垂直レベルにて、一方が他方の上に配置されている案内板（５０）を有し、
   案内板（５０）は、ロッド（２８）の浸漬部分（３０）がその中で係合されるそれぞれの孔（５４）を有し、
   各ロッド（２８）は、外面（６２）を有し、長手方向に細長い形状である金属外被（３６）と、外被（３６）の内側に取り付けられた加熱要素（４０）とを備え、
   ロッド（２８）の浸漬部分（３０）が加熱領域（４６）及び加熱領域（４６）の両側の２つの非加熱領域（４８）とを有し、
   孔（５４）は、加熱領域（４６）と孔（５４）の縁部との間に隙間が存在するように、浸漬部分（３０）における外径に比べて、わずかに大きな直径を有し、
   各ロッド（２８）は、外被（３６）の外面（６２）の少なくとも一部分を被覆している、耐腐食性コーティング（６０）を備え、耐腐食性コーティング（６０）は、加熱領域（４６）の全体に沿って長手方向に延び、且つ加熱領域（４６）の両側の非加熱領域（４８）の所定距離にわたって長手方向に連続している、ことを特徴とする加圧装置。
2. コーティング（６０）は、主として、ニッケルから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の加圧装置。
3. コーティング（６０）は、少なくとも９５重量％のニッケルから構成されていることを特徴とする請求項２に記載の加圧装置。
4. コーティング（６０）は、ニッケル塩類の電気分解槽によって、外面（６２）に堆積されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の加圧装置。
5. コーティング（６０）は、５０マイクロメータを越える厚みを有していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の加圧装置。
6. 非加熱領域の他の領域が、耐腐食性コーティングによって被覆されていない請求項１乃至５の何れか１項に記載の加圧装置。
7. 所定距離は、１０ミリメートルを越えていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の加圧装置。
8. 外被（３６）は、オーステナイト系ステンレス鋼から作られていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の加圧装置。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載された加圧装置を作る方法であって、この方法が、浴槽と浴槽に浸漬された電極（７４）とを備えた電気分解セル（６４）の中で、外被（３６）の外面（６２）における少なくとも一部分にコーティング（６０）を堆積させる段階を備え、浴槽は、主として、ニッケルスルファメート、塩化ニッケル、及び、ほう酸を含み、外被（３６）が、浴槽内に配置されて、電極（７４）と外被（３６）との間に電流が維持され、この方法は、さらに、加熱領域（４６）と孔（５４）の縁部との間に隙間が存在するように、案内板（５０）の孔（５４）内に、加熱ロッド（２８）を係合させる段階を含むことを特徴とする方法。
10. 堆積段階中に、浴槽のｐＨは、３〜５に維持されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 電極（７４）は、可溶性のニッケルから作られていることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の方法。
12. 電流は、堆積段階中に処理されるべき外被（３６）の外面（６２）において、５〜５０アンペア／平方デシメートルの電流密度に維持されることを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項に記載の方法。
13. コーティング（６０）を堆積する段階に先行して、浴槽と浴槽に浸漬した電極（７４）とを備えた電気分解セル（６４）の中で、外被（３６）の外面（６２）の少なくとも一部分に接着層を堆積させる予備的段階を備え、浴槽は、ワットの浴槽であって、主として、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、及び、ほう酸を含み、外被（３６）が、浴槽内に配置されて、電極（７４）と外被（３６）との間に電流が維持されることを特徴とする請求項９乃至１２の何れか１項に記載の方法。
14. 予備段階中に、浴槽のｐＨは、３〜５に維持されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 接着層は、１０マイクロメータ未満の厚みを有していることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の方法。

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