JP5830069B2 - 液体／気体混合物を吐出する流体ジェットを使用して水中面を洗浄する方法 - Google Patents

Description

本開示は、水中面を洗浄する方法に関する。

原子炉の水中面は、安全な運転を確実にするために、構造の完全性を脅かすことがある亀裂の検査が周期的に行われる。それはそれとして、周期的に必要な検査が行われる前に、反応炉の水中面は、（「ダスト」ともよばれる）不都合な堆積物や沈殿物の洗浄を必要とする。高温で放射線量が大きい原子炉の環境により生成される「ダスト」層は、影響を受ける表面にかなり堅く付着し、除去するのが比較的困難である。通常は、原子炉の水中表面はブラシ型の工具を使用して機械的に洗浄される。しかし、ブラシ型工具を用いるこの機械的洗浄方法は、原子炉の水中面から不都合な堆積物や沈殿物を除去するには十分に効果的ではない。それに加え、この機械的洗浄方法では、原子炉内にブラシの破片（毛、毛束、繊維、及び／又はその他の引きちぎれた成分）が残りがちである。

米国特許第３８９８０７９号明細書

本明細書に記載の実施例は、液体媒体で覆われた水中面の洗浄方法に関する。本方法は、洗浄液を水中流体ジェットで液体媒体を通して水中面に注入するステップを含む。本方法は更に、水中流体ジェットを通して洗浄液に非反応性ガス及び反応性ガスの少なくとも一方を導入するステップを含み得る。

本明細書の非限定的な実施形態の様々な特徴及び利点は、添付図面を参照した詳細な説明を検討することにより更に明らかになる。添付図面は説明目的のためだけに提示されるものであり、特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。添付図面は別途明示されない限り、縮尺通りに描かれているとはみなされない。明瞭にするため、図面の様々な寸法が実際よりも大きく記載されている。

水中面を洗浄するための方法及び装置の概略図である。 図１の流体ジェットの断面図である。 図２の流体ジェットの前面図である。 液体媒体のｐＨと、反応性ガスとして注入されたアンモニアの量との関係を示すグラフである。

要素又は層が、別の要素又は層「の上に」、「に接続され」、「に結合され」、又は「を覆う」と言う場合、その要素又は層が直接別の要素又は層「の上に」、「に接続され」、「に結合され」、又は「を覆う」こともあれば、又は介在要素又は層が存在することもある。これに対して、要素が別の要素又は層「の直接上に」、「に直接接続され」、「に直接結合され」、又は「を直接覆う」と言う場合は、介在要素又は層は存在しない。同一の番号は明細書全体を通して同一の要素を指す。本明細書で用いられる用語「及び／又は」には、関連して言及される１つ又は複数の事項のいずれかの、又は全ての組み合わせが含まれる。

本明細書では第１、第２、第３等の用語は様々な要素、構成部品、領域、層、及び／又は部分を記述するために用いられるが、これらの要素、構成部品、領域、層、及び／又は部分はこれらの用語に限定されるべきではない。これらの用語は１つの要素、構成部品、領域、層、及び／又は部分を別の領域、層、又は部分と区別するためにのみ用いられる。したがって、下記の第１の要素、構成部品、領域、層、及び／又は部分は、実施例の教示から逸脱することなく第２の要素、構成部品、領域、層、及び／又は部分を指すことができよう。

本明細書では、空間的な関連を示す用語（例えば「下方」、「下」、「下部」、「上」、「上部」等）を、図示する１つの要素又は特徴の別の要素（１つ又は複数）、又は特徴（１つ又は複数）との関係を記載するために用いることがある。空間的な関連を示す用語は、図示する方向性に加えて使用又は動作中のデバイスの異なる方向性をも含むことを意図することを理解されたい。例えば、図中のデバイスが反転すると、別の要素又は特徴の「下方」又は「下」と記載される要素は別の要素又は特徴の「上」に向くことになろう。したがって、「下」と言う用語は上と下の両方の方向性を含み得る。デバイスは、別の方向（９０°回転又はその他の方向）を向いていてもよく、本明細書で用いられる空間的な関連を示す用語はそのように解釈される。

本明細書で用いられる用語は様々な実施形態を記載する目的のためだけに用いられ、実施例に限定することを意図するものではない。本明細書で用いられる単数名詞は文脈が明確に複数形を示していない限り、複数形も含むことを意図する。更に、「含む」、「含んでいる」「備える」及び／又は「備えている」と言う用語を、本明細書で用いる場合は、記載の特徴、整数、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するものであって、１つ又は複数の更なる別の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在を除外するものではないことを理解されたい。

本明細書に記載の実施例は、実施例の理想的実施形態（及び中間構造）の概略図である断面図を参照して記載される。そのため、例えば製造技術及び／又は許容差の結果として、図示した形状の変形形態が予期される。したがって、実施例は、本明細書に示す領域の形状に限定されるものと解釈されるべきではなく、例えば製造の結果として生じる形状の偏差も含むべきである。例えば、矩体として示される注入領域は、通常は注入領域から非注入領域への２値の変化ではなく、丸みを帯びた、又は湾曲した特徴、及び／又はその端部における注入濃度の勾配を有する。同様に、注入によって形成された埋め込み領域は、埋め込み領域と注入が行われる表面との間の領域内に、幾分かの注入を引き起こす場合がある。したがって、図示の領域は、性質上概略的なものであり、その形状はデバイスの実際の形状を示すことを意図するものではなく、実施例の範囲を限定することを意図するものではない。

特に定義しない限り、本明細書で用いる（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、実施例が属する分野の当業者によって一般的に理解されるものと一致する意味を有する。また、用語は、一般に用いられる辞書で定義されるものを含めて、関連する技術的文脈における意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書でその旨が明確に定義されない限り、理想的な意味、又は過度に形式的な意味に解釈されるものではないことを理解されたい。

図１は、水中面を洗浄する方法及び装置の概略図である。図１を参照すると、水中面を洗浄する装置は、洗浄液供給源１００と、非反応性ガス供給源１０２と、流体ジェット１２６に接続された反応性ガス供給源１０４とを含んでいる。洗浄液供給源１００は、洗浄液１００’（図２）をポンプによって洗浄液ライン１１４を通して流体ジェット１２６に供給するように構成されている。洗浄液ライン１１４内の液流開口は第１のバルブ１０８によって調節可能である。同様に、非反応性ガス供給源１０２、及び反応性ガス供給源１０４は非反応性ガス１０２’と反応性ガス１０４’（図２）とを非反応性ガスライン１１６と反応性ガスライン１１８のそれぞれを通して流体ジェット１２６に供給するように構成されている。非反応性ガスライン１１６と反応性ガスライン１１８とのガス流開口は、第２のバルブ１１０及び第３のバルブ１１２によってそれぞれ調節できる。図示していないが、非反応性ガス供給源１０２及び反応性ガス供給源１０４のそれぞれから非反応性ガス１０２’と反応性ガス１０４’とを送り込むために１つ又は複数のポンプを備えてもよいことを理解されたい。

流体ジェット１２６を、容器１２２の水中面１２４に面するように液体媒体１２０を含む容器１２２内に配置してもよい。実施例はこれに限定されるものではないが、液体媒体１２０は水であり得る。流体ジェット１２６の動作中、流体ジェット１２６から噴出される流体により生成される力は、流体ジェット１２６を撥ねのけ、ひいては流体ジェット１２６を容器１２２の水中面１２４に対する理想的な、又は所望の位置から引き離してしまう。この斥力に抗するため、流体ジェット１２６を平衡ジェット１２８で安定させてもよい。具体的には、平衡ジェット１２８は、一次流体が流体ジェット１２６から噴出される方向とは反対方向に二次流体を噴出してもよい。図１は容器１２２の内表面を洗浄するために使用する流体ジェット１２６を図示しているが、流体ジェット１２６は、（原子炉設備又はその他の環境であるかにかかわらず）その他の多様な水中面に使用してもよいことを理解されたい。

図２は、図１の流体ジェットの断面図である。図２を参照すると、流体ジェット１２６は、第１の通路２００と、第２の通路２０２と、第３の通路２０４とを含むように構成されている。流体ジェット１２６の動作中、洗浄液１００’は第１の通路２００を通って進行し、非反応性ガス１０２’は第２の通路２０２を通って進行し、反応性ガス１０４’は第３の通路２０４を通って進行する。第１の通路２００、第２の通路２０２、及び第３の通路２０４は、洗浄液１００’、非反応性ガス１０２’、及び反応性ガス１０４’が流体ジェット１２６への途中、及び流体ジェット１２６内にある間は互いに分離され、流体ジェット１２６から液体媒体１２０内に噴出されるときに互いに混合されるように設計されている。

図３は、図２の流体ジェットの前面図である。図３を参照すると、流体ジェット１２６は、第３の通路２０４が第２の通路２０２内に同心に配置されるように構成されてもよい。第２の通路２０２は、第１の通路２００内にも同心に配置されてもよい。流体ジェット１２６は、大型の円筒形構造、大型の円筒形構造内の中型の円筒形構造、及び中型の円筒形構造内の小型の円筒形構造から形成されてもよい。大型の円筒形構造の内表面と中型の円筒形構造の外表面とが第１の通路２００を画成する。中型の円筒形構造の内表面と小型の円筒形構造の外表面とが第２の通路２０２を画成する。小型の円筒形構造の内表面が第３の通路２０４を画成する。流体ジェット１２６に関する更なる詳細は、流体ジェット１２６を使用した洗浄方法に関連して以下に記載する。

液体媒体１２０によって覆われる水中面１２４の洗浄方法は、洗浄液１００’を水中流体ジェット１２６で液体媒体１２０を通して水中面１２４に注入するステップを含む。本方法は更に、水中流体ジェット１２６を通して洗浄液１００’に非反応性ガス１０２’及び反応性ガス１０４’の少なくとも一方を導入するステップを含む。流体ジェット１２６の「フレーム」は「ダスト」及びその他の不都合な物質を水中面１２４から除去することを促進する。

注入ステップは、液体媒体１２０で覆われた容器１２２の内表面に洗浄液１００’を向けることを含んでもよい。或いは、注入ステップは、液体媒体１２０内に浸漬された構成部品（例えば容器１２２内の機械部品）に洗浄液１００’を向けることを含んでもよい。しかし、洗浄液１００’は、洗浄が必要等の表面に向けてもよい。更に、注入ステップは、洗浄液１００’として水を使用することを含んでもよい。

注入及び導入ステップは、洗浄液１００’、及び、非反応性ガス１０２’と反応性ガス１０４’の少なくとも一方が互いに混合される前に水中流体ジェット１２６を抜け出るように、水中流体ジェット１２６を構成することを含んでもよい。例えば、注入及び導入ステップは、水中流体ジェット１２６として三層同心羽口を使用して実行されてもよい。このような場合は、洗浄液１００’は三層同心羽口の第１の通路２００を通って注入されてもよく、非反応性ガス１０２’は三層同心羽口の第２の通路２０２を通って導入されてもよく、反応性ガス１０４’は三層同心羽口の第３の通路２０４を通って導入されてもよい。しかし、実施例はこれに限定されるものではなく、洗浄液１００’、非反応性ガス１０２’、及び反応性ガス１０４’は、第１の通路２００、第２の通路２０２、及び第３の通路２０４のどれを通って供給されてもよい。例えば、非反応性ガス１０２’は第３の通路２０４を通って供給されてもよく、反応性ガス１０４’は第２の通路２０２を通って供給されてもよい。

注入及び導入ステップは、第１の通路２００が第２の通路２０２と第３の通路２０４とを囲むように三層同心羽口を構成することを含んでもよい。この構成により、外側の第１の通路２００を通して洗浄液１００’を供給することが、内側に供給される非反応性ガス１０２’及び／又は反応性ガス１０４’が水中面１２４に向かう途中にこれらのガスを集束させることに役立ち、それによってこれらのガスの液体媒体１２０内への尚早な拡散を軽減し、水中面１２４の洗浄を促進する。注入及び導入ステップは更に、第２の通路２０２及び／又は第３の通路２０４が、第１の通路２００よりも更に水中流体ジェット１２６から延出するように三層同心羽口を構成することを含んでもよい。このような構成は、非反応性ガス１０２’及び／又は反応性ガス１０４’が水中面１２４に向かう途中に、これらのガスの液体媒体１２０内への尚早な拡散を更に軽減することに役立つ。

導入ステップは、沈殿物の水中面１２４からの除去を促進するために、非反応性ガス１０２’と反応性ガス１０４’の少なくとも一方を、水中面１２４との境界面で空洞を形成する空隙（例えば気泡）２０６として供給することを含んでもよい。導入ステップは更に、液体媒体１２０と洗浄液１００’の少なくとも一方により反応性ガス１０４’が吸収される結果として、水中面１２４との境界面に熱を発生することを含んでもよい。導入ステップは更に、水中面１２４の不活性化を促進するために、液体媒体１２０と洗浄液１００’の少なくとも一方により反応性ガス１０４’が吸収される結果として、水中面１２４との境界面でｐＨを上昇させることを含んでもよい。その結果、水中面１２４上に不活性腐食層が形成され得る。

水中面１２４の洗浄中、非反応性ガス１０２’と反応性ガス１０４’とは、洗浄液１００’と同時に導入されるように共注入されてもよい。大気、窒素、及び希ガスの少なくとも１つを非反応性ガス１０２’として使用してもよい。更には、アンモニアとヒドラジンの少なくとも１つを反応性ガス１０４’として使用してもよい。しかし、実施例はこれに限定されることなく、非反応性ガス１０２’及び反応性ガス１０４’として別の適宜のガスを使用してもよいことを理解されたい。例えば、導入ステップは、反応性ガス１０４’として塩化水素を使用することを含んでもよい。

洗浄液１００’として水を使用すると、局部的流体速度により水中面１２４が洗浄される。局部的流体速度は、水中面１２４の平滑さ、洗浄液１００’及び液体媒体１２０中の不純物、並びに、洗浄液１００’及び液体媒体１２０の酸素含有率に依存する。容器１２２の水中面１２４に作用する力は、下記の方程式によって与えられる。
Ｆ＝ρｑＶ／ｇｓｉｎθ
ここで、
Ｆは力、
ρは洗浄液１００’の濃度、
ｑは洗浄液１００’の体積流量、
Ｖは洗浄液１００’の速度、
ｇは無次元変換定数、
θは流体ジェット１２６と水中面１２４との間の傾斜角である。

洗浄液１００’が非反応性ガス１０２’で増強されると、比較的高振動数の振動が発生し、それにより「ダスト」の水中面１２４からの除去を促進する。具体的には、非反応性ガス１０２’の連行気泡が、キャビテーションとよばれる現象によって、液体媒体１２０及び水中面１２４との液体・固体境界面で崩壊し、比較的高振動数の振動を引き起こす。一般に、流体ジェット１２６のノズルから流出する非反応性ガス１０２’の気泡の半径は、ノズルの直径の約５倍になる。振動の動的脈動モードは下記の方程式により与えられる。

ここで、
ｆは基本モード固有振動数、
Ｒは非反応性ガス１０２’の気泡半径（ｍ）、
γはガスの非熱比（例えばＮ₂の場合は１．４）、
Ｐは平均静圧（Ｐａ）、
ρは液体媒体１２０の濃度（Ｋｇ／ｍ³）である。

非反応性ガス１０２’として窒素（Ｎ₂）を使用し、ノズル直径が１ｍｍで気泡半径が５ｍｍであると想定すると、実施例はこれに限定されるものではないが、振動数は約６００Ｈｚである。

洗浄液１００’が（非反応性ガス１０２’を含む、又は含まない）反応性ガス１０４’で増強されると、比較的大きい音響パルス（音響圧力波）を伴う比較的高振動数の振動が発生する。加えて、反応性ガス１０４’が洗浄液１００’及び／又は液体媒体１２０により吸収されると、局部的な温度上昇（溶解熱）が生じる一方で、溶解ガスが溶液から出てくる。その結果生じるキャビテーション及び熱が水中面１２４からの「ダスト」の除去を増強する。更に、反応性ガス１０４’は、局部的なｐＨの上昇を引き起こす。アルカリ性が高まると、洗浄後の水中面１２４がより不活性化することで腐食率が低下する。

アンモニア（ＮＨ₃）が反応性ガス１０４’として使用される非限定的な実施形態では、水（Ｈ₂Ｏ）中のアンモニア（ＮＨ₃）が溶解するための化学反応は以下のように表される。

ＮＨ₃＋Ｈ₂Ｏ←→ＮＨ₄ ⁺＋ＯＨ^-
洗浄が完了し、原子炉が始動した後、結果として生じる容器１２２内のアンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）は以下の公式に従って放射線分解を受ける。

２ＮＨ₄→γ２Ｎ₂＋４Ｈ₂
図４は、液体媒体のｐＨと反応性ガスとして注入されたアンモニアの量との関係を示すグラフである。典型的な沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）における化学制御は、ｐＨが６．５〜８．０で、導電率が０．１０〜０．１５μＳ／ｃｍの純水を保つことである。洗浄中に反応性ガス１０４’としてアンモニアを導入することの効果は、容器１２２内の液体媒体１２０の容積が比較的大きいことに照らして最小限になることが見込まれる。

水中面１２４を洗浄する方法は更に、流体ジェット１２６を平衡ジェット１２８で安定させることを含んでもよい。このような場合、水中流体ジェット１２６から噴出する第１のジェットにより発生する第１の力は平衡ジェット１２８から噴出する第２のジェットにより発生する力で平衡される。第１の力の大きさは第２の力の大きさにほぼ等しくてよい。更に、第１の力の方向は第２の力の方向の反対でよい。その結果、流体ジェット１２６は水中面１２４に対して所望の位置に保たれる。

本明細書に幾つかの実施例を開示したが、他の変形形態も可能であることを理解されたい。このような変形形態は本開示の趣旨及び範囲から逸脱するものとみなされるべきではなく、当業者には自明のこのような修正は全て、添付の特許請求の範囲内に含まれることを意図している。

Claims (15)

1. 液体媒体で覆われた水中面を洗浄する方法であって、
   洗浄液を水中流体ジェットで前記液体媒体を通して前記水中面に注入するステップと、
   前記水中流体ジェットを通して前記洗浄液に非反応性ガス及び反応性ガスの少なくとも一方を導入するステップと、
   を含み、
   前記注入及び導入ステップが、前記水中流体ジェットとして三層同心羽口を使用して実行され、前記洗浄液が前記三層同心羽口の第１の通路を通って注入され、前記非反応性ガスが前記三層同心羽口の第２の通路を通って導入され、前記反応性ガスが前記三層同心羽口の第３の通路を通って導入される、
   方法。
2. 前記注入及び導入ステップが、前記第１の通路が前記第２の通路及び前記第３の通路を囲むように前記三層同心羽口を構成することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記注入及び導入ステップが、前記第３の通路が前記第１の通路よりも更に前記水中流体ジェットから延出するように、前記三層同心羽口を構成することを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記注入ステップが、前記洗浄液を前記液体媒体で覆われた容器の内表面に向けることを含む、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記注入ステップが、前記洗浄液を前記液体媒体に浸漬された構成部品に向けることを含む、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記注入ステップが、前記洗浄液として水を使用することを含む、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記注入及び導入ステップが、前記洗浄液、及び、前記非反応性ガスと前記反応性ガスの少なくとも一方が互いに混合される前に前記水中流体ジェットを抜け出るように前記水中流体ジェットを構成することを含む、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記導入ステップが、沈殿物の前記水中面からの除去を促進するために、前記非反応性ガスと前記反応性ガスの少なくとも一方を、前記水中面との境界面で空洞を形成する空隙として供給することを含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記導入ステップが、前記液体媒体と前記洗浄液の少なくとも一方により前記反応性ガスが吸収される結果として、前記水中面との境界面に熱を発生することを含む、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記導入ステップが、前記水中面の不活性化を促進するために、前記液体媒体と前記洗浄液の少なくとも一方により前記反応性ガスが吸収される結果として、前記水中面との境界面でｐＨを上昇させることを含む、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記導入ステップが、前記非反応性ガスと前記反応性ガスとを共注入することを含む、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記導入ステップが、大気、窒素、及び希ガスの少なくとも１つを非反応性ガスとして使用することを含む、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記導入ステップが、アンモニアとヒドラジンの少なくとも１つを前記反応性ガスとして使用することを含む、請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記導入ステップが、前記反応性ガスとして塩化水素を使用することを含む、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記水中流体ジェットから噴出する第１のジェットにより発生する第１の力が、平衡ジェットから噴出する第２のジェットにより発生する第２の力で平衡されるように、前記水中流体ジェットを前記平衡ジェットで安定させるステップを更に含む、請求項１から１４のいずれかに記載の方法。