発明者らは、原子力プラントの炭素鋼製の構成部材、すなわち、炭素構成部材への放射性核種の付着を抑制できる対策について種々の検討を行った。
前述したように、炭素鋼部材の、炉水と接触する表面にニッケルまたは白金を付着させる場合は、ステンレス鋼製の構成部材の、炉水と接触する表面にニッケルまたは白金を付着させる場合に比べて、その表面への放射性核種の付着抑制効果が低下する。
そのような放射性核種の付着抑制効果の低下を改善するために、発明者らは、炭素鋼製の構成部材の、炉水と接触する表面に貴金属(例えば、白金)を付着させ、その後、炭素鋼部材の、貴金属が付着された表面にニッケルを付着させたところ、炭素鋼部材のその表面への放射性核種の付着量が著しく低減されることを見出した(特願2015−41991号参照)。
このような新たな知見に基づいて、発明者らは、貴金属及びニッケルを炭素鋼部材の表面に付着させることがその表面への放射性核種の付着抑制につながると考えた。そこで、発明者らは、貴金属及びニッケルを炭素鋼部材の表面に付着させることを前提に、その表面への放射性核種の付着をさらに抑制することができる対策案についての検討を行った。
ところで、発明者らは、特開2006−38483号公報及び特開2012−247322号公報に記載されているように、鉄(II)イオン、酸化剤及びpH調整剤(例えば、ヒドラジン)を含む、60℃〜100℃(60℃以上100℃以下)の低い温度範囲の皮膜形成液を原子力プラントの構成部材の表面に接触させて構成部材の表面にマグネタイト皮膜を形成し、このマグネタイト皮膜上に貴金属を付着させた場合には、マグネタイト皮膜を形成した直後の1つの運転サイクル(例えば、1年の期間)における原子力プラントの運転中においてマグネタイト皮膜が貴金属の作用により炉水中に溶出するという現象を見出した。また、60℃〜100℃の低い温度範囲で炭素鋼部材の炉水と接触する表面に形成されたニッケルフェライト皮膜上に貴金属を付着させた場合においても、原子力プラントの運転中においてニッケルフェライト皮膜が貴金属の作用により炉水中に溶出するという現象を見出した。炭素鋼部材の表面からの、このようなフェライト皮膜の溶出は、やがて、炭素鋼部材上のフェライト皮膜の消失をもたらし、フェライト皮膜が消失した後、すなわち、その1つの運転サイクルの末期において、放射性核種が炭素鋼部材の表面に付着することが判明した。この結果、炭素鋼部材表面への放射性核種の、長期間に亘る付着抑制が阻害されることになる。また、この運転サイクルでの原子力プラントの運転を停止した後、炭素鋼部材の表面に、再度、フェライト皮膜を形成する必要があり、運転サイクルが停止されるたびにフェライト皮膜を形成しなければならなくなる。
貴金属が表面に付着されたマグネタイト皮膜及びニッケルフェライト皮膜等のフェライト皮膜の溶出を考慮すれば、炭素鋼部材の表面への放射性核種付着のさらなる抑制を図るだけでなく、その表面への放射性核種の、長期間に亘る付着抑制も重要であると発明者らは考えた。
発明者らは、60℃〜100℃の低い温度範囲で炭素鋼部材の炉水と接触する表面に形成したニッケルフェライト皮膜がこの皮膜上に貴金属を付着させたときにそのニッケルフェライトが溶出する理由について、検討を行った。この検討により、原子力プラントの運転停止中において、そのような低い温度範囲で炭素鋼部材の表面に形成されたニッケルフェライトの皮膜は、Ni0.7Fe2.3O4の皮膜であり、不安定であることが分かった。なお、Ni0.7Fe2.3O4は、Ni1-xFe2+xO4においてxが0.3である場合の形態である。このため、不安定な皮膜であるNi0.7Fe2.3O4の皮膜上に、例えば、白金が付着されているとき、Ni0.7Fe2.3O4が、その白金の作用により、原子力プラントの運転中において炉水中に溶出するということが分かった。また、不安定なNi0.7Fe2.3O4の皮膜は、上記の低い温度範囲で形成されるため、炭素鋼部材の表面にNi0.7Fe2.3O4の小さい粒が多数付着している状態になっている。この理由によっても、上面に白金が付着したNi0.7Fe2.3O4の皮膜が溶出する。
ところで、貴金属を炭素鋼部材の表面に付着させる際に、炭素鋼部材に含まれるFeがFe2+として溶出していると、貴金属を炭素鋼部材の表面に付着させることができなくなる。このため、発明者らは、貴金属を炭素鋼部材の表面に付着させるときにおける、炭素鋼部材からのFe2+の溶出を防ぐ対策を検討した。そして、発明者らは、炭素鋼部材の表面をニッケル金属の皮膜で覆うことによって炭素鋼部材からのFe2+の溶出を防ぐことができることを見出した。炭素鋼部材の表面を覆うニッケル金属は、後述するように、炭素鋼部材への放射性核種の付着を抑制する、付着した貴金属の作用によっても溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜の形成に寄与する物質である。炭素鋼部材の表面にニッケル金属皮膜を形成してこのニッケル金属皮膜で炭素鋼部材の表面を覆うことによって、炭素鋼部材からのFe2+の溶出を防ぐことができ、貴金属のニッケル金属皮膜表面への付着、具体的には、炭素鋼部材への貴金属の付着を短い時間で行うことができた。併せて、炭素鋼部材への貴金属の付着量も増大した。
さらに、炭素鋼部材の表面を上記のニッケル金属皮膜で覆い、このニッケル金属皮膜上にこの皮膜を覆うNi0.7Fe2.3O4皮膜を形成し、Ni0.7Fe2.3O4皮膜上に貴金属を付着した場合においても、炭素鋼部材からのFe2+の溶出を防ぐことができ、炭素鋼部材への貴金属の付着を短時間で行うことができる。ニッケル金属皮膜を覆うそのNi0.7Fe2.3O4皮膜は、鉄(II)イオン、ニッケルイオン、酸化剤及びpH調整剤を含む、60℃〜100℃(60℃以上100℃以下)の温度範囲の皮膜形成水溶液を、ニッケル金属皮膜に接触させることによって形成される。この場合も、炭素鋼部材への貴金属の付着に要する時間を短縮することができる。ニッケル金属皮膜を覆うNi0.7Fe2.3O4皮膜の形成により、炭素鋼部材への貴金属の付着量が増加する。
炭素鋼部材の表面へのニッケル金属皮膜の形成は、ニッケルイオン及び還元剤を含む水溶液を炭素鋼部材の表面に接触させることによって可能である。その水溶液に含まれるニッケルイオンが炭素鋼部材に含まれるFeと置換され、置換されたニッケルイオンが還元剤の作用によりニッケル金属になり、炭素鋼部材の表面にニッケル金属皮膜が形成される。また、炭素鋼部材の表面に形成されたニッケル金属皮膜表面への貴金属の付着は、貴金属イオン(例えば、白金イオン)及び還元剤を含む水溶液を形成されたニッケル金属皮膜に接触させることによって可能である。
このように、炭素鋼部材の表面にニッケル金属皮膜を形成することによって、炭素鋼部材からのFe2+の溶出を防ぐことができ、短い時間でより多くの貴金属を炭素鋼部材に付着させることができる。
さらに、炭素鋼部材の表面への放射性核種の、長期間に亘る付着抑制に関する検討結果を以下に説明する。発明者らは、60℃〜100℃の低い温度範囲で不安定なNi0.7Fe2.3O4の皮膜を炭素鋼部材の表面に接触させて形成するのではなく、付着した貴金属によっても溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜の、炭素鋼部材の表面への形成を目指した。そこで、発明者らは、炭素鋼部材への貴金属の付着を効果的に行うために炭素鋼部材の表面に形成したニッケル金属皮膜を、その安定なニッケルフェライト皮膜の、炭素鋼部材の表面への形成に利用できないかを種々検討した。この結果、酸化剤を含む高温(200℃以上)の水を、炭素鋼部材の表面に形成されたニッケル金属皮膜の、貴金属が付着された側の表面に接触させることによって、そのニッケル金属皮膜を、炭素鋼部材の表面を覆う、貴金属の作用によっても溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜(Ni1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライト皮膜、すなわち、NiFe2O4皮膜)に変えることができた。炭素鋼部材表面のニッケル金属皮膜がその安定なニッケルフェライト(NiFe2O4)皮膜に変換されたとき、Ni0.7Fe2.3O4皮膜がその安定なニッケルフェライト皮膜の表面に形成されてその安定なニッケルフェライト皮膜を覆っており、貴金属(例えば、白金)がNi0.7Fe2.3O4皮膜上に付着している。
発明者らは、ニッケル及び白金を付着していない炭素鋼製の試験片A及び表面に形成したニッケル金属皮膜上にNi0.7Fe2.3O4皮膜を形成してこのNi0.7Fe2.3O4皮膜表面に白金を付着した炭素鋼製の試験片Bを用いて、放射性核種であるCo−60の付着を確認する実験を行った。この実験は、試験片A及びBを閉ループの循環配管内に設置し、その循環配管内に原子炉内の炉水を模擬した模擬水を流して循環させて行った。循環する模擬水はCo−60を含んでおり、模擬水の温度は280℃である。循環配管内に設置された試験片A及びBのそれぞれは、循環配管内を流れる模擬水中に500時間浸漬された。500時間が経過した後、試験片A及びBのそれぞれを循環配管から取り出し、それぞれの試験片のCo−60付着量を測定した。
それぞれの試験片におけるCo−60付着量の測定結果を図8に示す。図8から明らかであるように、表面に形成したニッケル金属皮膜上にNi0.7Fe2.3O4皮膜を形成してこのNi0.7Fe2.3O4皮膜表面に白金を付着した試験片Bでは、ニッケル金属皮膜が形成されていなく白金を付着していない試験片Aに比べてCo−60の付着量が著しく低下した。
そして、循環配管から取り出された試験片A及びBのそれぞれの表面における組成をラマン分光によって分析した。この分析結果を図9に示す。実質的に炭素鋼である試験片Aの表面には、主にFe3O4からなる皮膜が直接形成されていた。Co−60の付着量が大幅に低減された試験片Bの表面には、ニッケルフェライト(NiFe2O4)を主成分とする酸化皮膜が形成されていた。このNiFe2O4は、Ni1-xFe2+xO4においてxが0である形態である。このNiFe2O4の皮膜は、ラマン分光によって得られたラマンスペクトルのピーク幅の違いによってNi0.7Fe2.3O4皮膜と区別することができた。
また、循環配管から取り出された試験片Bの表面のオージェースペクトルの結果を、図10に示した。図10に示す結果より、試験片Bの母材(炭素鋼)の表面に、均一な組成のNiFe2O4が形成されていることが確認できた。このNiFe2O4の形成により、試験片Bでは、Co―60の付着量が著しく抑制されたのである。
表面にニッケル金属皮膜が形成されてこのニッケル金属皮膜表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜上に貴金属(例えば、白金)が付着された炭素鋼部材(試験片B)のニッケル金属皮膜が、200℃以上の水及び酸化剤を含む200℃以上の水との接触により、炭素鋼部材の表面を覆うニッケルフェライト皮膜(Ni1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライト皮膜)に変換される理由を説明する。酸化剤を含む200℃以上の水が炭素鋼部材上のニッケル金属皮膜に接触すると、ニッケル金属皮膜及び炭素鋼部材が200℃以上に加熱される。その水に含まれる酸素がNi0.7Fe2.3O4皮膜を通してニッケル金属皮膜内に移行し、炭素鋼部材に含まれるFeがFe2+となってニッケル金属皮膜内に移行する。ニッケル金属皮膜内のニッケルが、200℃以上の高温環境で、ニッケル金属皮膜内に移行した酸素及びFe2+と反応し、Ni1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライトが生成される。この安定なニッケルフェライトの皮膜が、炭素鋼部材の表面を覆う。
炭素鋼部材の表面を覆ったニッケル金属皮膜に含まれるニッケル金属から、200℃以上の高温の環境下において上記のように生成された、Ni1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライトは、結晶が大きく成長しており、付着した貴金属の作用によってもNi0.7Fe2.3O4皮膜のように水中に溶出しなく安定であり、さらに、Co−60等の放射性核種を取り込まない。このNi1-xFe2+xO4においてxが0である安定なニッケルフェライトは、ニッケル金属皮膜を覆ったNi0.7Fe2.3O4皮膜に付着した白金等の貴金属の作用により、炭素鋼部材及びニッケル金属皮膜の腐食電位が低下されるために生成される。このように、200℃以上の高温の環境下で、炭素鋼部材の表面を覆ったニッケル金属から生成されたその安定なニッケルフェライト皮膜は、60℃〜100℃の低い温度範囲で生成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜よりも長期に亘って炭素鋼部材への放射性核種の付着を抑制することができる。
酸化剤を含む200℃以上の水を炭素鋼部材の表面に形成されたニッケル金属皮膜に接触させることにより、ニッケル金属皮膜を、付着した貴金属の作用によっても溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜に変換することができる。しかしながら、酸化剤を含むその水の温度は、実施の観点からあまりにも高い温度を避けるためにも、200℃以上330℃以下の範囲にすることが好ましい。
以上に述べた検討結果に基づいて、発明者らは、以下に述べる(1)及び(2)の2つの発明を新たに創生することができた。
(1)ニッケルイオン及び還元剤を含む皮膜形成水溶液を炭素鋼部材の冷却水と接触する表面に接触させ、炭素鋼部材のその表面にニッケル金属皮膜を形成し、ニッケル金属皮膜の表面にNi0.7Fe2.3O4皮膜(第1ニッケルフェライト皮膜)を形成し、貴金属をその第1ニッケルフェライト皮膜の表面に付着させる。
(2)ニッケルイオン及び還元剤を含む皮膜形成水溶液を炭素鋼部材の表面に接触させ、炭素鋼部材のその表面にニッケル金属皮膜を形成し、ニッケル金属皮膜の表面にNi0.7Fe2.3O4皮膜(第1ニッケルフェライト皮膜)を形成し、貴金属をその第1ニッケルフェライト皮膜の表面に付着させ、酸化剤を含む200℃以上330℃以下の温度範囲の水を、貴金属を付着した第1ニッケルフェライト皮膜に接触させ、ニッケル金属皮膜に含まれるニッケル金属を基に、200℃以上330℃以下の温度範囲で、炭素鋼部材の表面に上記の安定なニッケルフェライト皮膜(第2ニッケルフェライト皮膜)を形成する。
(1)は、原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法に関する発明である。この(1)の発明によれば、炭素鋼部材の表面をニッケル金属皮膜で覆うので、炭素鋼部材からのFe2+の溶出を防ぐことができ、炭素鋼部材の表面への貴金属の付着に要する時間を短縮することができる。さらに、ニッケル金属の表面を第1ニッケルフェライト皮膜で覆っているので、炭素鋼部材に付着する貴金属の量を増加させることができる。
(2)は、原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法に関する発明である。この(2)の発明によれば、炭素鋼部材の表面に形成されたニッケル金属皮膜の表面に形成されて、貴金属が付着されている第1ニッケルフェライト皮膜に酸化剤を含む200℃以上330℃以下の温度範囲の水を接触させて、そのニッケル金属皮膜に含まれるニッケル金属を基に、200℃以上330℃以下の温度範囲で、炭素鋼部材の表面にニッケルフェライト皮膜(第2ニッケルフェライト皮膜)を形成するので、この形成されたニッケルフェライト皮膜は、貴金属が付着していても水に溶出しなく、より長期に亘って(具体的には、複数(例えば、5つ)の運転サイクルに亘って)炭素鋼部材への放射性核種の付着を抑制することができる。
なお、第1ニッケルフェライト皮膜は、実施例2及び3で述べるように、原子炉の冷却水が第1ニッケルフェライト皮膜に接触している状態で、第1ニッケルフェライト皮膜の表面に付着した貴金属の作用により、その冷却水に溶出するニッケルフェライト皮膜である(例えば、図17参照)。これに対し、第2ニッケルフェライト皮膜は、実施例2及び3で述べるように、その冷却水が第2ニッケルフェライト皮膜に接触している状態でも、第1ニッケルフェライト皮膜の表面に付着した貴金属の作用により、その冷却水に溶出しないニッケルフェライト皮膜である(例えば、図17参照)。
以上の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
本発明の好適な一実施例である実施例1の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法を、図1、図2及び図3を用いて説明する。本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法は、沸騰水型原子力プラント(BWRプラント)の、炭素鋼製の浄化系配管(炭素鋼部材)に適用される。
このBWRプラントの概略構成を、図2を用いて説明する。BWRプラント1は、原子炉2、タービン9、復水器10、再循環系、原子炉浄化系及び給水系等を備えている。原子炉2は、炉心4を内蔵する原子炉圧力容器(以下、RPVという)3を有し、RPV3内で炉心4を取り囲む炉心シュラウド(図示せず)の外面とRPV3の内面との間に形成される環状のダウンカマ内にジェットポンプ5を設置している。炉心4には多数の燃料集合体(図示せず)が装荷されている。燃料集合体は、核燃料物質で製造された複数の燃料ペレットが充填された複数の燃料棒を含んでいる。再循環系は、ステンレス鋼製の再循環系配管6、及び再循環系配管6に設置された再循環ポンプ7を有する。給水系は、復水器10とRPV3を連絡する給水配管11に、復水ポンプ12、復水浄化装置(例えば、復水脱塩器)13、低圧給水加熱器14、給水ポンプ15及び高圧給水加熱器16を、復水器10からRPV3に向って、この順に設置して構成されている。原子炉浄化系は、再循環系配管6と給水配管11を連絡する浄化系配管18に、浄化系ポンプ19、再生熱交換器20、非再生熱交換器21及び炉水浄化装置22をこの順に設置している。浄化系配管18は、再循環ポンプ7の上流で再循環系配管6に接続される。原子炉2は、原子炉建屋(図示せず)内に配置された原子炉格納容器87A内に設置されている。
RPV3内の冷却水(以下、炉水という)は、再循環ポンプ7で昇圧され、再循環系配管6を通ってジェットポンプ5内に噴出される。ダウンカマ内でジェットポンプ5のノズルの周囲に存在する炉水も、ジェットポンプ5内に吸引されて炉心4に供給される。炉心4に供給された炉水は、燃料棒内の核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱される。加熱された一部の炉水が蒸気になる。この蒸気は、RPV3から主蒸気配管8を通ってタービン9に導かれ、タービン9を回転させる。タービン9に連結された発電機(図示せず)が回転し、電力が発生する。タービン9から排出された蒸気は、復水器10で凝縮されて水になる。この水は、給水として、給水配管11を通りRPV3内に供給される。給水配管11を流れる給水は、復水ポンプ12で昇圧され、復水浄化装置13で不純物が除去され、給水ポンプ15でさらに昇圧される。給水は、低圧給水加熱器14及び高圧給水加熱器16で加熱されてRPV3内に導かれる。抽気配管17でタービン9から抽気された抽気蒸気が、低圧給水加熱器14及び高圧給水加熱器16にそれぞれ供給され、給水の加熱源となる。
再循環系配管6内を流れる炉水の一部は、浄化系ポンプ19の駆動によって浄化系配管18内に流入し、再生熱交換器20及び非再生熱交換器21で冷却された後、炉水浄化装置22で浄化される。浄化された炉水は、再生熱交換器20で加熱されて浄化系配管18及び給水配管11を経てRPV3内に戻される。
本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法では、皮膜形成装置30が用いられ、この皮膜形成装置30が、図2に示すように、BWRプラントの浄化系配管18に接続される。
皮膜形成装置30の詳細な構成を、図3を用いて説明する。
皮膜形成装置30は、サージタンク31、循環ポンプ32,33、循環配管34、ニッケルイオン注入装置35、還元剤注入装置40、鉄イオン注入装置45、白金イオン注入装置50、酸化剤注入装置55、加熱器58、冷却器60、カチオン交換樹脂塔61、混床樹脂塔62、分解装置63及びエゼクタ64を備えている。
開閉弁65、循環ポンプ33、弁66,69,72及び77、サージタンク31、循環ポンプ32、弁80及び開閉弁81が、上流よりこの順に循環配管34に設けられている。弁66をバイパスする配管68が循環配管34に接続され、弁67及びフィルタ59Aが配管68に設置される。弁69をバイパスして両端が循環配管34に接続される配管71には、冷却器60及び弁70が設置される。両端が循環配管34に接続されて弁72をバイパスする配管74に、カチオン交換樹脂塔61及び弁73が設置される。両端が配管74に接続されてカチオン交換樹脂塔61及び弁73をバイパスする配管76に、混床樹脂塔62及び弁75が設置される。カチオン交換樹脂塔61は陽イオン交換樹脂を充填しており、混床樹脂塔62は陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂を充填している。
弁78及び弁78よりも下流に位置する分解装置63が設置される配管79が、弁77をバイパスして循環配管34に接続される。分解装置63は、内部に、例えば、ルテニウムを活性炭の表面に添着した活性炭触媒を充填している。サージタンク31が弁77と循環ポンプ32の間で循環配管34に設置される。加熱器58がサージタンク31内に配置される。弁82及びエゼクタ64が設けられる配管83Aが、弁80と循環ポンプ32の間で循環配管34に接続され、さらに、サージタンク31に接続されている。再循環系配管6の内面の汚染物を還元溶解するために用いるシュウ酸(還元除染剤)をサージタンク31内に供給するためのホッパ(図示せず)がエゼクタ64に設けられている。
ニッケルイオン注入装置35が、薬液タンク36、注入ポンプ37及び注入配管38を有する。薬液タンク36は、注入ポンプ37及び弁39を有する注入配管38によって循環配管34に接続される。ギ酸ニッケル(2Ni(HCOO)・2H2O)を水に溶解して調製したギ酸ニッケル水溶液(ニッケルイオンを含む水溶液)が、薬液タンク36内に充填される。
鉄(II)イオン注入装置45が、薬液タンク46、注入ポンプ47及び注入配管48を有する。薬液タンク46は、注入ポンプ47及び弁49を有する注入配管48によって循環配管34に接続される。ギ酸鉄(2Fe(HCOO)・2H2O)を水に溶解して調製したギ酸鉄水溶液(鉄(II)イオンを含む水溶液)が、薬液タンク46内に充填される。
白金イオン注入装置(貴金属イオン注入装置)50が、薬液タンク51、注入ポンプ52及び注入配管53を有する。薬液タンク51は、注入ポンプ52及び弁54を有する注入配管53によって循環配管34に接続される。白金錯体(例えば、ヘキサヒドロキソ白金酸ナトリウム水和物(Na2[Pt(OH)6]・nH2O))を水に溶解して調整した白金イオンを含む水溶液(例えば、ヘキサヒドロキソ白金酸ナトリウム水和物水溶液)が、薬液タンク51内に充填されている。白金イオンを含む水溶液は貴金属イオンを含む水溶液の一種である。貴金属イオンを含む水溶液としては、白金イオンを含む水溶液以外に、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミウム及びイリジウムのいずれかのイオンを含む水溶液を用いてもよい。
還元剤注入装置40が、薬液タンク41、注入ポンプ42及び注入配管43を有する。薬液タンク41は、注入ポンプ42及び弁44を有する注入配管43によって循環配管34に接続される。還元剤であるヒドラジンの水溶液が薬液タンク41内に充填される。還元剤としては、ホルムヒドラジン、ヒドラジンカルボアミド及びカルボヒドラジド等のヒドラジン誘導体、ヒドラジン及びヒドロキシルアミンのいずれかを用いるとよい。
酸化剤注入装置55が、薬液タンク56、注入ポンプ57及び注入配管58Aを有する。薬液タンク56は、注入ポンプ57及び弁59を有する注入配管58Aによって循環配管34に接続される。酸化剤である過酸化水素が薬液タンク56内に充填される。酸化剤としては、オゾン、または酸素を溶解した水を用いてもよい。また、また、弁100を有する供給配管101の一端が注入ポンプ57と弁59の間で注入配管58Aに接続され、供給配管101の他端が弁78よりも上流で配管79に接続される。
注入配管48,38,58A,53及び43が、弁80から開閉弁81に向かってその順番で、弁80と開閉弁81の間で循環配管34に接続される。
pH計82Aが、注入配管43と循環配管34の接続点と開閉弁81の間で循環配管34に取り付けられる。
BWRプラント1は、1つの運転サイクルでの運転が終了した後に停止される。この運転停止後に、炉心4に装荷されている燃料集合体の一部が使用済燃料集合体として取り出され、燃焼度0GWd/tの新しい燃料集合体が炉心4に装荷される。このような燃料交換が終了した後、BWRプラント1が、次の運転サイクルでの運転のために再起動される。燃料交換のためにBWRプラント1が停止されている期間を利用して、BWRプラントの保守点検が行われる。
上記のようにBWRプラント1の運転が停止されている期間中において、BWRプラント1における炭素鋼部材の一つである、RPV12に連絡される炭素鋼製の配管系、例えば、浄化系配管18を対象にした、本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法が実施される。この貴金属の付着方法では、浄化系配管18の、炉水と接触するする内面へのニッケル金属皮膜の形成、ニッケル金属皮膜の表面へのNi0.7Fe2.3O4皮膜の形成及びNi0.7Fe2.3O4皮膜表面への貴金属、例えば、白金の付着処理が行われる。
本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法を、図1に示す手順に基づいて以下に説明する。本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法では、皮膜形成装置30が用いられる。
まず、皮膜形成対象の炭素鋼製の配管系に、皮膜形成装置を接続する(ステップS1)。BWRプラント1の運転が停止されているときに、例えば、再循環系配管6に接続されている浄化系配管18(第1配管)に設置されている弁23のボンネットを開放して再循環系配管6側を封鎖する。皮膜形成装置30の循環配管34(第2配管)の開閉弁81側の一端部が弁23のフランジに接続され、循環配管34の一端部が浄化系ポンプ19の上流側で浄化系配管18に接続される。他方、再生熱交換器20と非再生熱交換器21の間で浄化系配管18に設置されている弁25のボンネットを開放して非再生熱交換器21側を封鎖する。循環配管34の開閉弁65側の他端部が弁25のフランジに接続され、循環配管34の他端部が再生熱交換器20の下流側で浄化系配管18に接続される。循環配管34の両端が浄化系配管18に接続され、浄化系配管18及び循環配管34を含む閉ループが形成される。
なお、本実施例では、皮膜形成装置30を原子炉浄化系の浄化系配管18に接続しているが、浄化系配管18以外に、炭素鋼部材であってRPV3に連絡される残留熱除去系、原子炉隔離時冷却系及び炉心スプレイ系のいずれかの炭素鋼製の配管に皮膜形成装置30を接続し、この炭素鋼製の配管に本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法を適用してもよい。
皮膜形成対象の炭素鋼製の配管系に対する化学除染を実施する(ステップS2)。前の運転サイクルでの運転を経験したBWRプラント1では、放射性核種を含む酸化皮膜が、RPV3から流れ込む炉水と接触する浄化系配管18の内面に形成されている。後述のニッケル金属皮膜を浄化系配管18の内面に形成する前に、その内面から放射性核種を含む酸化皮膜を除去することが好ましい。本実施例による、ニッケル金属皮膜の、浄化系配管18の内面への形成に際しては、事前に浄化系配管18の線量率を下げると共に、形成されるその皮膜と浄化系配管18の内面の密着性を向上させるために、浄化系配管18の内面に形成された、放射性核種を含む酸化皮膜を除去することが望ましい。この酸化皮膜を除去するために、化学除染、特に、還元除染剤であるシュウ酸を含む還元除染液を用いた還元除染を、浄化系配管18の内面に対して実施する。
ステップS2において、浄化系配管18の内面に対して適用される化学除染は、特開2000−105295号公報に記載された公知の還元除染である。この還元除染について説明する。まず、開閉弁65,弁66,69,72,77及び80、及び開閉弁81をそれぞれ開き、他の弁を閉じた状態で、循環ポンプ32及び33を駆動する。これにより、浄化系配管18内にサージタンク31内で加熱器58により加熱された水が、循環配管34及び浄化系配管18によって形成される閉ループ内を循環する。循環する水は、加熱器58により90℃に調節される。この水の温度が90℃になったとき、弁82を開いて循環配管34内を流れる一部の水を配管83A内に導く。ホッパ及びエゼクタ64から配管83A内に供給された所定量のシュウ酸が、配管83A内を流れる水によりサージタンク31内に導かる。このシュウ酸がサージタンク31内で水に溶解し、シュウ酸水溶液(還元除染液)がサージタンク31内で生成される。
このシュウ酸水溶液は、循環ポンプ32の駆動によってサージタンク31から循環配管34に排出される。還元剤注入装置40の薬液タンク41内のヒドラジン水溶液が、弁44を開いて注入ポンプ42を駆動することにより、注入配管43を通して循環配管34内のシュウ酸水溶液に注入される。pH計82Aで測定されたシュウ酸水溶液のpH値に基づいて注入ポンプ42(または弁44の開度)を制御して循環配管34内へのヒドラジン水溶液の注入量を調節することにより、浄化系配管18に供給されるシュウ酸水溶液のpHが2.5に調節される。本実施例では、浄化系配管18の内面にニッケル金属を付着させるとき、及びそのニッケル金属の皮膜の上に貴金属、例えば、白金を付着させるときに用いる還元剤であるヒドラジンが、還元除染の工程ではシュウ酸水溶液のpHを調整するpH調整剤として用いられる。
pHが2.5で90℃のシュウ酸水溶液が、循環配管34から浄化系配管18に供給され、浄化系配管18の内面に形成された、放射性核種を含む酸化皮膜に接触する。この酸化皮膜は、シュウ酸によって溶解される。シュウ酸水溶液は、酸化皮膜を溶解しながら浄化系配管18内を流れ、浄化系ポンプ19及び再生熱交換器20を通過して循環配管34に戻される。循環配管34に戻されたシュウ酸水溶液は、開閉弁65を通って循環ポンプ33で昇圧され、弁63、66、68及び73を通過してサージタンク31に達する。このように、シュウ酸水溶液は、循環配管34及び浄化系配管18を含む閉ループ内を循環し、浄化系配管18の内面の還元除染を実施してその内面に形成された酸化皮膜を溶解する。
酸化皮膜の溶解に伴って、シュウ酸水溶液の放射性核種濃度及びFe濃度が上昇する。シュウ酸水溶液に含まれる放射性核種及びFeのそれぞれの濃度上昇を抑えるために、カチオン交換樹脂塔61を運用する。すなわち、弁73を開いて弁72の開度を調節することにより、浄化系配管18から循環配管34に戻されたシュウ酸水溶液の一部が、配管74を通ってカチオン交換樹脂塔61に導かれる。シュウ酸水溶液に含まれた放射性核種及びFe等の金属陽イオンは、カチオン交換樹脂塔61内の陽イオン交換樹脂に吸着されて除去される。カチオン交換樹脂塔61から排出されたシュウ酸水溶液及び弁72を通過したシュウ酸水溶液は、循環配管34から浄化系配管18に再び供給され、浄化系配管18の還元除染に用いられる。
シュウ酸を用いた、炭素鋼部材(例えば、浄化系配管18)の表面に対する還元除染では、炭素鋼部材の表面に難溶解性のシュウ酸鉄(II)が形成され、このシュウ酸鉄(II)により、炭素鋼部材の表面に形成された放射性核種を含む酸化皮膜のシュウ酸による溶解が抑制される場合がある。この場合には、弁72を全開にし、弁73を閉じてシュウ酸水溶液のカチオン交換樹脂塔61への供給を停止し、酸化剤である過酸化水素を、循環配管34内を流れるシュウ酸水溶液に注入する。この過酸化水素のシュウ酸水溶液への注入は、弁59を開いて注入ポンプ57を起動し、薬液タンク56内の過酸化水素を注入配管58Aを通して循環配管34内を流れているシュウ酸水溶液に供給する。このとき、弁100は閉じている。過酸化水素を含むシュウ酸水溶液が循環配管34から浄化系配管18内に導かれ、浄化系配管18の内面に形成されたシュウ酸鉄(II)に含まれるFe(II)が、シュウ酸水溶液に含まれる過酸化水素の作用により、Fe(III)に酸化され、そのシュウ酸鉄(II)がシュウ酸鉄(III)錯体としてシュウ酸水溶液中に溶解する。すなわち、シュウ酸鉄(II)、及びシュウ酸水溶液に含まれる過酸化水素及びシュウ酸が、式(1)に示す反応により、シュウ酸鉄(III)錯体、水及び水素イオンを生成する。
2Fe(COO)2+H2O2+2(COOH)2 →
2Fe[(COO)2]2 −+2H2O+2H+ …(1)
浄化系配管18の内面に形成されたシュウ酸鉄(II)が溶解され、シュウ酸水溶液に注入した過酸化水素が式(1)の反応によって消失したことが確認された後、弁73を開いて弁72の開度を調節し、循環配管34内を流れて弁69を通過したシュウ酸水溶液の一部を、配管74を通してカチオン交換樹脂塔61に供給する。シュウ酸水溶液に含まれる放射性核種等の金属陽イオンが、カチオン交換樹脂塔61内の陽イオン交換樹脂に吸着されて除去される。なお、シュウ酸水溶液内の過酸化水素の消失は、循環配管34からサンプリングしたシュウ酸水溶液に過酸化水素に反応する試験紙を付け、試験紙に現れる色を見ることによって確認できる。
浄化系配管18の、還元除染箇所の線量率が設定線量率まで低下したとき、または、浄化系配管18の還元除染時間が所定の時間に達したとき、シュウ酸水溶液に含まれるシュウ酸及びヒドラジンを分解する。すなわち、還元除染剤分解工程が実施される。なお、還元除染箇所の線量率が設定線量率まで低下したことは、浄化系配管18の還元除染箇所からの放射線を検出する放射線検出器の出力信号に基づいて求められた線量率により確認することができる。
シュウ酸及びヒドラジンの分解は、以下のようにして行われる。弁78を開いて弁77の開度を一部減少させ、循環配管34内を流れて弁72を通過した、ヒドラジンを含むシュウ酸水溶液は、弁78を通って配管79により分解装置63に供給される。このとき、弁100を開いて注入ポンプ57を駆動することにより、薬液タンク56内の過酸化水素が、供給配管101を通して配管79に供給され、分解装置63内に流入する。なお、弁59は閉じている。シュウ酸水溶液に含まれるシュウ酸及びヒドラジンは、分解装置63内で、活性炭触媒及び供給された過酸化水素の作用により分解される。分解装置63内でのシュウ酸及びヒドラジンの分解反応は、式(2)及び式(3)で表される。
(COOH)2+H2O2 → 2CO2+2H2O ……(2)
N2H4+2H2O2 → N2+4H2O ……(3)
シュウ酸及びヒドラジンの分解装置63内での分解は、シュウ酸水溶液を循環配管34及び浄化系配管18を含む閉ループ内を循環させながら行われる。供給した過酸化水素がシュウ酸及びヒドラジンの分解のために分解装置63で完全に消費されて分解装置63から流出しないように、薬液タンク56から分解装置63への過酸化水素の供給量を、注入ポンプ57の回転速度を制御して調節する。
還元除染剤分解工程においても、シュウ酸水溶液中にシュウ酸が存在すると、このシュウ酸水溶液と接触する、炭素鋼部材である浄化系配管18の内面に、シュウ酸鉄(II)が形成される可能性がある。そこで、シュウ酸水溶液に含まれるシュウ酸及びヒドラジンの分解がある程度進んだ段階で、注入ポンプ57の回転速度を増大させ、分解装置63から過酸化水素が流出するように、薬液タンク56から分解装置63への過酸化水素の供給量を増加させる。
分解装置63から排出された、過酸化水素を含むシュウ酸水溶液は、循環配管34から浄化系配管18に導かれる。炭素鋼部材である浄化系配管18の内面に形成されたシュウ酸鉄(II)は、前述したように、その過酸化水素の作用によりシュウ酸鉄(III)錯体になりシュウ酸水溶液中に溶解する。シュウ酸水溶液中のシュウ酸等の分解が進んでいるため、シュウ酸鉄(II)に含まれるFe(II)を溶解しやすいFe(III)に変換するシュウ酸が不足し、循環配管34の内面にFe(OH)3が析出しやすくなる。このため、Fe(OH)3の析出を抑制するため、シュウ酸水溶液にギ酸を注入する。ギ酸の注入は、例えば、弁82を開いて配管83A内にシュウ酸水溶液が流れている状態で前述のホッパ及びエゼクタ64からギ酸をそのシュウ酸水溶液に供給してサージタンク31に導くことにより行われる。供給されたギ酸は、シュウ酸水溶液に混合される。
供給されたギ酸を含むシュウ酸水溶液は、濃度の低下したシュウ酸及びヒドラジンに加え、分解装置63から排出された過酸化水素を含んでいる。このギ酸及び過酸化水素を含むシュウ酸水溶液は、浄化系配管18に供給される。シュウ酸水溶液に含まれる過酸化水素は浄化系配管18内面に析出したシュウ酸鉄(II)を溶解し、ギ酸はFe(OH)3を溶解する。シュウ酸水溶液は、循環配管34及び浄化系配管18を含む閉ループを循環するため、シュウ酸及びヒドラジンの分解も、分解装置63内で継続される。
次に、シュウ酸の分解工程を終了するため、循環配管34内を流れるシュウ酸水溶液の過酸化水素濃度を低下させてカチオン交換樹脂塔61にシュウ酸水溶液を供給する。このため、弁100を閉じて、ギ酸の注入を停止するために弁82を閉じる。循環配管34内を流れるシュウ酸水溶液への過酸化水素及びギ酸の注入が停止されると、シュウ酸水溶液中のこれらの濃度も低下する。シュウ酸水溶液の過酸化水素濃度が1ppm以下になったとき、弁73を開いて弁72の開度を低減させ、カチオン交換樹脂塔61にシュウ酸水溶液を供給する。シュウ酸水溶液に含まれる金属陽イオンは、前述したように、カチオン交換樹脂塔61内の陽イオン交換樹脂で除去され、シュウ酸水溶液の金属陽イオン濃度が低下する。分解装置63内でシュウ酸、ヒドラジン及びギ酸の分解は継続される。シュウ酸、ヒドラジン及びギ酸のうちでは、ヒドラジンが先に分解され、次いでシュウ酸が分解され、ギ酸が最後に残る。この状態でシュウ酸の分解工程を終了する。
以上に述べた化学除染が終了したとき、浄化系配管18は、浄化系配管18の内面から放射性核種を含む酸化皮膜が除去されて図4に示す状態になっており、浄化系配管18の内面が前述した残存するギ酸を含む水溶液に接触している。
皮膜形成液の温度調整を行う(ステップS3)。弁72及び77を開けて弁73及び78を閉じる。循環ポンプ32及び33が駆動しているので、残存するギ酸を含む水溶液が循環配管34及び浄化系配管18を含む閉ループ内を循環する。そのギ酸を含む水溶液が、加熱器58によって90℃まで加熱される。このギ酸水溶液(後述の皮膜形成水溶液)の温度は、60℃〜100℃(60℃以上100℃以下)の範囲にすることが望ましい。さらに、弁67を開いて弁66を閉じる。これらの弁操作により、循環配管34内を流れているギ酸水溶液がフィルタ59Aに供給され、ギ酸水溶液に残留している微細な固形分がフィルタ59Aによって除去される。微細な固形分をフィルタ59Aによって除去しない場合には、浄化系配管18の内面にニッケル金属皮膜を形成する際に、ニッケルギ酸水溶液を循環配管34に注入したとき、その固形物の表面にもニッケル金属皮膜が形成され、注入したニッケルイオンが無駄に使用される。フィルタ59Aへのギ酸水溶液の供給は、このようなニッケルイオンの無駄な使用を防止するためである。
ニッケルイオン水溶液を注入する(ステップS4)。弁66を開いて弁67を閉じ、フィルタ59Aへの通水を停止する。ニッケルイオン注入装置35の弁39を開いて注入ポンプ37を駆動し、薬液タンク36内のギ酸ニッケル水溶液を、注入配管38を通して循環配管34内を流れる、残存するギ酸を含む90℃の水溶液に注入される。注入されるギ酸ニッケル水溶液のニッケルイオン濃度は、例えば、200ppmである。
還元剤を注入する(ステップS5)。還元剤注入装置40の弁44を開いて注入ポンプ42を駆動し、薬液タンク41内の還元剤であるヒドラジンの水溶液を、注入配管43を通して循環配管34内を流れる、ニッケルイオン及びギ酸を含み90℃の水溶液に注入される。注入されるヒドラジン水溶液のヒドラジン濃度は、例えば、200ppmである。ヒドラジン水溶液は、pH計82Aで測定された、ニッケルイオン及びギ酸を含み90℃の水溶液のpHが、4.0〜11.0(4.0以上11.0以下)の範囲になるように、例えば、4.0になるように、その水溶液への注入量が調節される。
ニッケルイオン、ギ酸及びヒドラジンを含みpHが4.0で90℃の水溶液、すなわち、第1皮膜形成水溶液(第1皮膜形成液)は、循環ポンプ32の駆動により、循環配管34から浄化系配管18に供給される。この第1皮膜形成水溶液84が浄化系配管18の内面に接触することにより、ニッケル金属皮膜83が浄化系配管18の内面に形成される(図5参照)。このニッケル金属皮膜83の形成は、以下のようにして行われる。浄化系配管18の内面とpH4.0の第1皮膜形成水溶液84との接触によって、第1皮膜形成水溶液84に含まれるニッケルイオンと浄化系配管18内のFe(II)イオンとの置換反応が加速されて浄化系配管18の内面に取り込まれるニッケルイオンの量が多くなり、第1皮膜形成水溶液84への鉄(II)イオンの溶出が増大する。浄化系配管18の内面に取り込まれたニッケルイオンは、第1皮膜形成水溶液84に含まれるヒドラジンの作用によりニッケル金属となるため、浄化系配管18の内面にニッケル金属皮膜83が形成される。
ニッケルイオンと鉄(II)イオンとの置換反応は、浄化系配管18の内面と接触する第1皮膜形成水溶液84のpHが4.0のときに最も活発であり、浄化系配管18の内面に取り込まれるニッケルイオンの量が最も多くなる。還元剤の注入により第1皮膜形成水溶液84のpHが7等に大きくなると、取り込まれたニッケルイオンがニッケル金属になる量が増大する。
浄化系配管18から循環配管34に排出された第1皮膜形成水溶液84は、循環ポンプ33及び32で昇圧され、ニッケルイオン注入装置35からのギ酸ニッケル水溶液及び還元剤注入装置40からのヒドラジン水溶液をそれぞれ注入されて、再び、浄化系配管18に注入される。このように、第1皮膜形成水溶液84を、循環配管34及び浄化系配管18を含む閉ループ内を循環させることによって、やがて、ニッケル金属皮膜83が、浄化系配管18の、第1皮膜形成水溶液84と接触する内面の全面を均一に覆う。このとき、浄化系配管18の内面に存在するニッケル金属は、1平方センチメートル当たり50μg(50μg/cm2)となる。
ギ酸ニッケル水溶液を循環配管34に注入してからの経過時間が第1設定時間になったとき、浄化系配管18の内面に存在するニッケル金属が50μg/cm2になったと判定する。その第1設定時間は、炭素鋼試験片の表面のニッケル金属が50μg/cm2になるまでの時間を予め測定することによって求められる。ギ酸ニッケル水溶液を循環配管34に注入してからの経過時間が第1設定時間になるまでの期間では、第1皮膜形成水溶液84がその閉ループ内を循環し、浄化系配管18の内面へのニッケル金属の付着が継続される。
鉄(II)イオン水を注入する(ステップS6)。ギ酸ニッケル水溶液の注入開始からの経過時間が第1設定時間になったとき(すなわち、浄化系配管18の内面に存在するニッケル金属が50μg/cm2になったとき)、鉄(II)イオン注入装置45の弁49を開いて注入ポンプ47を駆動し、薬液タンク46内のギ酸鉄水溶液を、注入配管48を通して循環配管34内を流れる第1皮膜形成水溶液84に注入する。循環配管34に注入されるギ酸鉄水溶液の鉄(II)イオン濃度は、例えば、200ppmである。
酸化剤を注入する(ステップS7)。酸化剤注入装置55の弁59を開いて注入ポンプ57を駆動し、薬液タンク56内の過酸化水素を注入配管58Aを通して循環配管34内を流れる第1皮膜形成水溶液84に注入する。このとき、弁100は閉じている。
ギ酸ニッケル水溶液の注入開始からの経過時間が第1設定時間になった以降において、循環配管34内を流れる第1皮膜形成水溶液84へのギ酸鉄水溶液及び過酸化水素の注入により、循環配管34において、ニッケルイオン、鉄(II)イオン、ギ酸、過酸化水素及びヒドラジンを含みpHが、例えば、7.0で90℃の水溶液、すなわち、第2皮膜形成水溶液86(図6参照)が生成される。経過時間が第1設定時間になった以降でも、ステップS4におけるギ酸ニッケル水溶液の注入及びステップS5におけるヒドラジン水溶液の注入が継続される。第2皮膜形成水溶液86のpHを7.0に増加させるため、還元剤注入装置40の注入ポンプ42の回転速度を増大させ、薬液タンク41から循環配管34への、ヒドラジン水溶液の注入量を増加する。ギ酸鉄水溶液の循環配管34への注入が開始された後に循環配管34に注入されるヒドラジン水溶液に含まれるヒドラジンは、pH調整剤として機能する。
pHが7.0で90℃の第2皮膜形成水溶液86は、駆動する循環ポンプ32によって循環配管34から浄化系配管18に供給され、浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83の表面に接触する(図6参照)。そして、第2皮膜形成水溶液86の、このニッケル金属皮膜83の表面への接触により、ニッケル金属皮膜83の表面に、ニッケルフェライト(Ni0.7Fe2.3O4)皮膜85が形成される(図6参照)。ニッケル金属皮膜83の表面にNi0.7Fe2.3O4皮膜(第1ニッケルフェライト皮膜)85を形成するためには、ヒドラジン水溶液の注入により、pH計82Aで測定された第2皮膜形成水溶液のpHを5.5ないし9.0の範囲に調節する必要がある。また、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の形成に用いられる第2皮膜形成液の温度は、60℃〜100℃の範囲に調節される。
ステップS4〜S7各工程が実施され、pHが例えば7.0で90℃の第2皮膜形成水溶液86を、循環配管34及び浄化系配管18を含む閉ループを循環させ、ニッケル金属皮膜83の表面への、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の形成が継続される。ギ酸鉄水溶液の循環配管34への注入を開始してからの経過時間が第2設定時間になったとき、ニッケル金属皮膜83の表面を覆うNi0.7Fe2.3O4皮膜85の厚みが設定厚みに達したと判定し、注入ポンプ37,42,47,52及び57をそれぞれ停止して弁39,44,49,54及び59のそれぞれを閉じる。このため、ニッケルイオン注入装置35によるギ酸ニッケル水溶液の、還元剤注入装置40のヒドラジン水溶液の、鉄(II)イオン注入装置45によるギ酸鉄水溶液の、及び酸化剤注入装置55による過酸化水溶液のそれぞれの循環配管34への注入が停止される。これにより、浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83表面へのNi0.7Fe2.3O4皮膜85の形成が終了する。その第2設定時間は、ニッケル金属皮膜83の表面を覆うNi0.7Fe2.3O4皮膜85の厚みが設定厚みになるまでの時間を予め測定することによって求められる。
還元剤(及びpH調整剤)を分解する(ステップS8)。弁78を開いて弁77の開度の一部を閉じ、循環ポンプ33で昇圧されたニッケルイオン、鉄(II)イオン、過酸化水素及びヒドラジンを含む第2皮膜形成水溶液86の一部を、配管79を通して分解装置63に導く。さらに、弁100を開いて注入ポンプ57を駆動し、薬液タンク56内の過酸化水素を供給配管101及び配管79を通して分解装置63に供給する。第2皮膜形成水溶液86に含まれる、還元剤及びpH調整剤であるヒドラジンは、分解装置63内で、活性炭触媒及び過酸化水素の作用により、窒素及び水に分解され、第2皮膜形成水溶液86に含まれるギ酸も分解される。
還元剤(及びpH調整剤)が分解された皮膜形成水溶液を浄化する(ステップS9)。ヒドラジン(還元剤及びpH調整剤)が分解された後、弁77を開いて弁78を閉じてヒドラジンを含まない第2皮膜形成水溶液の分解装置63への供給を停止し、弁70を開いて弁69を閉じ、弁75を開いて弁72の開度の一部を閉じる。このとき、弁73は閉じており、循環ポンプ33及び32は駆動している。浄化系配管18から循環配管34に戻されたヒドラジンを含まない第2皮膜形成水溶液は、冷却器60で60℃になるまで冷却される。さらに、ヒドラジンを含まない60℃の第2皮膜形成水溶液が混床樹脂塔62に導かれ、この第2皮膜形成水溶液に残留しているニッケルイオン、鉄(II)イオン、他の陽イオン及び陰イオンが、混床樹脂塔62内の陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂に吸着されて除去される(第1浄化工程)。ヒドラジンを含まない60℃の第2皮膜形成水溶液を、上記の各イオンが実質的になくなるまで、循環配管34及び浄化系配管18を循環させる。各イオンが実質的になくなった第2皮膜形成水溶液は、実質的に60℃の水になる。
白金イオン水溶液を注入する(ステップS10)。第1浄化工程が終了した後、弁72を開いて弁75を閉じ、弁54を開いて注入ポンプ52を駆動する。循環配管34内を流れる水は、加熱器58による加熱により60℃に保たれる。循環配管34内を流れる60℃の水に、注入配管53を通して薬液タンク51内の白金イオンを含む水溶液(例えば、ヘキサヒドロキソ白金酸ナトリウム水和物(Na2[Pt(OH)6]・nH2O)の水溶液)が注入される。注入されるこの水溶液の白金イオンの濃度は、例えば、1ppmである。ヘキサヒドロキソ白金酸ナトリウム水和物の水溶液内では、白金がイオン状態になっている。60℃の白金イオンを含む水溶液が、循環ポンプ32及び33の駆動により、循環配管34から浄化系配管18に供給され、浄化系配管18から循環配管34に戻される。その白金イオンを含む水溶液は、循環配管34及び浄化系配管18を含む閉ループ内を循環する。
注入開始直後において、薬液タンク46から循環配管34と注入配管53の接続点を通して循環配管34に注入される、Na2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液のその接続点での白金濃度が、設定濃度、例えば、1ppmとなるように、予め、Na2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液の循環配管34への注入速度を計算し、さらに、循環配管34内を流れる60℃の水内の白金イオンをその設定濃度にして、浄化系配管18の内面を覆うニッケル金属皮膜の表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜上に所定量の白金を付着させるのに必要な、薬液タンク51に充填するNa2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液の量を計算し、計算されたNa2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液の量を薬液タンク51に充填する。計算されたNa2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液の循環配管34への注入速度に合わせて注入ポンプ52の回転速度を制御し、薬液タンク51内のNa2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液を循環配管34内に注入する。
還元剤を注入する(ステップS11)。還元剤注入装置40の弁44を開いて注入ポンプ42を駆動し、薬液タンク41内の還元剤であるヒドラジンの水溶液を、注入配管43を通して循環配管34内を流れる、白金イオンを含む60℃の水溶液に注入される。注入されるヒドラジン水溶液のヒドラジン濃度は、例えば、100ppmである。
ヒドラジン水溶液は、60℃のNa2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液がヒドラジン水溶液の注入点である注入配管43と循環配管34の接続点に到達した以降に循環配管34に注入される。この場合には、白金イオン、ヒドラジンを含み60℃の水溶液が、循環配管34から浄化系配管18に供給される。しかし、より好ましくは、薬液タンク51内に充填された所定量のNa2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液を全て循環配管34内に注入し終わった直後にヒドラジン水溶液を循環配管34に注入することが望ましい。この場合には、白金イオンを含む60℃の水溶液が循環配管34から浄化系配管18に供給され、白金イオン水溶液の循環配管34への注入が終了した後では、白金イオン及びヒドラジンを含み60℃の水溶液88(図7参照)が循環配管34から浄化系配管18に供給される。
前者のヒドラジン水溶液の注入の場合には、ヒドラジンにより白金イオンを白金にする還元反応が、最初に、循環配管34内を流れる、ヒドラジン及び白金イオンを含む水溶液内で生じるのに対して、後者のヒドラジン水溶液の注入の場合には、既に、白金イオンが浄化系配管18の内面を覆っているニッケル金属皮膜83の表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜の表面に吸着されており、この吸着された白金イオンがヒドラジンにより還元されるので、浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面への白金87の付着量がさらに増加する(図7参照)。
ヒドラジン水溶液の注入開始直後において、薬液タンク41から循環配管34と注入配管43の接続点を通して注入されるヒドラジン水溶液のその接続点でのヒドラジン濃度が、設定濃度、例えば、100ppmとなるように、予め、ヒドラジン水溶液の循環配管34への注入速度を計算し、さらに、循環配管34内を流れる60℃の白金イオンを含む水溶液のヒドラジン濃度をその設定濃度にして、浄化系配管18内面のニッケル金属皮膜83の表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85表面に吸着された白金イオンを白金87に還元するために必要な、薬液タンク41に充填するヒドラジン水溶液の量を計算し、計算されたヒドラジン水溶液の量を薬液タンク41に充填する。計算されたヒドラジン水溶液の循環配管34への注入速度に合わせて注入ポンプ42の回転速度を制御し、薬液タンク41内のヒドラジン水溶液を循環配管34内に注入する。
なお、薬液タンク46内のNa2[Pt(OH)6]・nH2Oの水溶液(白金イオンを含む水溶液)が、全量、循環配管34に注入されたとき、注入ポンプ52の駆動を停止して弁54を閉じる。これにより、白金イオンを含む水溶液の循環配管34への注入が停止される。また、薬液タンク41内のヒドラジン水溶液(還元剤水溶液)が、全量、循環配管34に注入されたとき、注入ポンプ42の駆動を停止して弁44を閉じる。これにより、ヒドラジン水溶液の循環配管34への注入が停止される。
Ni0.7Fe2.3O4皮膜85表面に吸着された白金イオンが注入されたヒドラジンによって還元されて白金87となるため、浄化系配管18内面のニッケル金属皮膜83表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に白金87が付着する(図7参照)。
白金の付着が完了したかを判定する(ステップS12)。白金イオン水溶液及び還元剤水溶液の注入からの経過時間が所定時間になったとき、浄化系配管18内面のニッケル金属皮膜83表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面への所定量の白金の付着が完了したと判定する。その経過時間が所定時間に到達しないときには、ステップS10〜S12の各工程が繰り返される。
浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜80の表面に所定量の白金が付着したことは、特開2014−44190号公報の実施例3(図10、図11及び図12)に記載されているように、水晶振動電極装置を循環ポンプ33の上流側で循環配管34に設置し、この水晶振動電極装置により測定する。水晶振動電極装置は、電極ホルダに形成された窪み内に水晶を取り付け、炭素鋼製の金属部材(浄化系配管18の組成と同じ)を電極ホルダの開放端側で水晶の表面に取り付け、この金属部材と電極ホルダの間に存在する、水晶の表面をシール部材で覆って構成される。このような電極ホルダは循環配管34内に配置され、金属部材の表面は循環配管34内を流れる前述の第1皮膜形成水溶液84に接触する。第1皮膜形成水溶液84に接触する金属部材の表面にニッケル金属皮膜83が形成される。所定量(50μg/cm2)のニッケル金属が浄化系配管18の内面に付着してニッケル金属皮膜83の形成が完了したと判定された後、第2皮膜形成水溶液86が、浄化系配管18に供給されて循環配管34に戻され、循環配管34内に配置されたその金属部材の表面に形成されたニッケル金属皮膜83の表面に接触する。第2皮膜形成水溶液86に接触する、金属部材の表面を覆うニッケル金属皮膜83の表面に、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85が形成される。
Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の厚みが所定厚みになった後、白金イオン、ヒドラジンを含む60℃の水溶液84が、浄化系配管18に供給されて循環配管34に戻され、循環配管34内に配置されたその金属部材の表面を覆っているNi0.7Fe2.3O4皮膜85に接触する。このため、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に白金87が付着される。水晶への電圧の印加により水晶が振動し、水晶と共に白金87が付着したNi0.7Fe2.3O4皮膜85等が形成された金属部材も振動する。金属部材を含む水晶の振動数は、振動数測定装置で測定され、白金87が付着した分、減少する。振動数測定装置で測定された振動数に基づいて、白金87が付着される前とそれが付着された後の振動数の差、すなわち、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に付着した白金81の重量が求められる。この重量が設定重量になったとき、所定量の白金87が浄化系配管18の内面に形成された、ニッケル金属皮膜83を覆うNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に付着されたと判定する。
浄化系配管18の内面へのニッケル金属皮膜80の形成が完了したかの判定も、同様に、振動数測定装置で測定された、金属部材を含む水晶の振動数に基づいて行ってもよい。測定されたこの水晶の振動数に基づいて、その金属部材の表面にニッケル金属皮膜83が形成される前とこの皮膜83が形成された後の振動数の差である、浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83の重量が求められる。このニッケル金属皮膜83の重量が設定重量になったとき、浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83に含まれるニッケル金属が50μg/cm2になったと判定する。
さらに、ニッケル金属皮膜83の表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の厚みが所定厚みになったかの判定も、振動数測定装置で測定された、金属部材を含む水晶の振動数に基づいて行ってもよい。測定されたこの水晶の振動数に基づいて、その金属部材上のニッケル金属皮膜83の表面にNi0.7Fe2.3O4皮膜85が形成される前とこの皮膜85が形成された後の振動数の差である、浄化系配管18の内面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の重量が求められる。このNi0.7Fe2.3O4皮膜85の重量が設定重量になったとき、浄化系配管18の内面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85が所定厚みになったと判定する。
浄化系配管及び循環配管内に残留する水溶液を浄化する(ステップS13)。浄化系配管18内面のニッケル金属皮膜83表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面への白金87の付着が完了したと判定された後、弁75を開いて弁72の開度の一部を閉じ、循環ポンプ33で昇圧された、白金イオン及びヒドラジンを含む60℃の水溶液を、混床樹脂塔62に供給する。その水溶液に含まれる白金イオン、他の金属陽イオン(例えば、ナトリウムイオン)、ヒドラジン及びOH基が、混床樹脂塔62内のイオン交換樹脂に吸着され、その水溶液から除去される(第2浄化工程)。
廃液を処理する(ステップS14)。第2浄化工程が終了した後、ポンプ(図示せず)を有する高圧ホース(図示せず)により循環配管34と廃液処理装置(図示せず)を接続する。第2浄化工程の終了後に、浄化系配管18及び循環配管34内に残存する、放射性廃液である水溶液は、そのポンプを駆動して循環配管34から高圧ホースを通して廃液処理装置(図示せず)に排出され、廃液処理装置で処理される。浄化系配管18及び循環配管34内の水溶液が排出された後、洗浄水を浄化系配管18及び循環配管34内に供給し、循環ポンプ32,33を駆動してこれらの配管内を洗浄する。洗浄終了後、浄化系配管18及び循環配管34内の洗浄水を、上記の廃液処理装置に排出する。
以上により、本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法が終了する。そして、浄化系配管18に接続された皮膜形成装置30を浄化系配管18から取り外し、浄化系配管18を復旧させる。
本実施例では、浄化系配管18の内面を覆うニッケル金属皮膜83の形成、ニッケル金属皮膜83の表面へのNi0.7Fe2.3O4皮膜85の形成、及びNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面への貴金属(例えば、白金87)の付着を、皮膜形成装置30を用いて、次の運転サイクルでBWRプラント1を起動する前のBWRプラント1の運転停止期間中に行うことができる。
なお、本実施例において炭素鋼部材である浄化系配管18の内面に形成されてこの内面を覆っているNi0.7Fe2.3O4皮膜(第1ニッケルフェライト皮膜)85は、60℃〜100℃の温度範囲で形成されるニッケルフェライト皮膜であって、実施例2及び3で述べるように、原子炉2内の炉水(冷却水)がNi0.7Fe2.3O4皮膜85に接触している状態で、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に付着した貴金属の作用により、その炉水に溶出するニッケルフェライト皮膜である(例えば、図17参照)。
本実施例によれば、ニッケルイオン及び還元剤(例えば、ヒドラジン)を含む第1皮膜形成水溶液を浄化系配管18の内面に接触させ、浄化系配管18の、炉水と接触する内面に、この内面を覆うニッケル金属皮膜83を形成することができる。さらに、ニッケルイオン、鉄(II)イオン、過酸化水素及びpH調整剤(例えば、ヒドラジン)を含む第2皮膜形成水溶液を浄化系配管18内面のニッケル金属皮膜83の表面に接触させ、この表面を覆うNi0.7Fe2.3O4皮膜85を形成することができる。これらのニッケル金属皮膜83及びNi0.7Fe2.3O4皮膜85によって、浄化系配管18から、浄化系配管18内を流れる白金イオンを含む水溶液へのFe2+の溶出を防止することができ、浄化系配管18の内面への貴金属(例えば、白金)の付着がFe2+の溶出によって阻害されることがなくなり、その内面への貴金属の付着(具体的には、浄化系配管18内面のニッケル金属皮膜83の表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85表面への貴金属の付着)に要する時間を短縮することができる。また、浄化系配管18の内面への貴金属の付着を効率良く行うことができ、浄化系配管18の内面への貴金属の付着量が増加する。
本実施例では、浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83には、50μg/cm2のニッケル金属が存在する。このように、50μg/cm2のニッケル金属が存在すると、少なくともニッケル金属皮膜83が、浄化系配管18の、第1皮膜形成水溶液に接触する内面の全面を覆った状態となり、次の運転サイクルにおけるBWRプラント1の起動後において、浄化系配管18内を流れる炉水が浄化系配管18の母材と接触することが、ニッケル金属皮膜83によって、遮られる。このため、炉水に含まれる放射性核種の浄化系配管18の母材への取り込みが生じない。
浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83は、浄化系配管18への白金の付着に要する時間を短縮させるだけでなく、後述の実施例2及び3で述べるように、付着した白金87による浄化系配管18及びニッケル金属皮膜83等の腐食電位の低下と相俟って、浄化系配管18の内面への、付着した白金によっても炉水に溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜の形成に貢献する。
浄化系配管18内面へのニッケル金属皮膜83の形成は、第1皮膜形成水溶液に含まれたニッケルイオンが浄化系配管18に含まれる鉄イオンと置換されて浄化系配管18の内面に取り込まれ、第1皮膜形成水溶液に含まれるヒドラジン(還元剤)によりその内面に取り込まれたニッケルイオンが還元されてニッケル金属になる。このように、置換反応によって浄化系配管18に取り込まれたニッケルイオンから還元剤の作用により生成されたニッケル金属は、浄化系配管18の母材との密着性が非常に強い。このため、形成されたニッケル金属皮膜83は、浄化系配管18からはがれることはない。
本実施例では、浄化系配管18の内面を還元除染した後、浄化系配管18の内面にニッケル金属皮膜83を形成するため、浄化系配管18の内面に形成された、放射性核種を含む酸化皮膜の上にニッケル金属皮膜が形成されることはなく、浄化系配管18から放出される放射線が低減され、浄化系配管18の表面線量率が著しく低減される。
シュウ酸水溶液を用いた、浄化系配管18内面の還元除染時、及びシュウ酸の分解時において、炭素鋼部材である浄化系配管18の内面に形成されたシュウ酸鉄(II)を、シュウ酸水溶液に注入した酸化剤(例えば、過酸化水素)の作用によって除去する。このシュウ酸鉄(II)の除去により、浄化系配管18とニッケル金属皮膜83の密着性が向上し、ニッケル金属皮膜83が浄化系配管18の内面からはがれることを防止できる。
本発明の好適な他の実施例である実施例2の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法を、図11及び図12を用いて以下に説明する。本実施例の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法は、BWRプラントの浄化系配管に適用される。
本実施例の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法では、実施例1の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法におけるステップS1〜S14の各工程、及び新たなステップS15〜S18の各工程が実施される。本実施例の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法では、実施例1で用いられる皮膜形成装置30がステップS1〜S14の各工程で用いられ、さらに、新たな加熱システム92がステップS16及びS17の各工程で用いられる。
加熱システム92の構成を、図11を用いて説明する。加熱システム92は、耐圧構造であって、循環配管93、循環ポンプ94、加熱器(加熱装置)95及び昇圧装置である弁96を有する。循環ポンプ94が循環配管93に設けられ、加熱器95が循環ポンプ94の上流で循環配管93に設けられる。加熱器95は循環ポンプ94の下流に配置してもよい。配管97が循環ポンプ94をバイパスしており、配管97の一端部が循環ポンプ94よりも上流で循環配管93に接続され、配管97の他端部が循環ポンプ94よりも下流で循環配管93に接続される。弁96が配管97に設けられる。開閉弁98が循環配管93の上流側端部に設けられ、開閉弁99が循環配管の下流側端部に設けられる。
皮膜形成装置を配管系から除去する(ステップS15)。本実施例の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法において、ステップS1〜S14の各工程が実施された後、浄化系配管18に接続されている皮膜形成装置30が浄化系配管18から取り外される。皮膜形成装置30の循環配管34の一端部が弁23のフランジから取り外され、循環配管34の他端部が弁25のフランジから取り外される。
加熱システムを配管系に接続する(ステップS16)。加熱システム92の循環配管93の循環配管93(第3配管)の開閉弁99側の一端部が弁23のフランジに接続され、循環配管93の一端部が浄化系ポンプ19の上流側で浄化系配管18に接続される。循環配管93の開閉弁98側の他端部が弁25のフランジに接続され、循環配管93の他端部が再生熱交換器20と非再生熱交換器21の間で浄化系配管18に接続される。循環配管93の両端が浄化系配管18に接続され、浄化系配管18及び循環配管93を含む閉ループが形成される。
200℃以上の、酸素を含む水を、白金が付着されたNi0.7Fe2.3O4皮膜に接触させる(ステップS17)。酸化剤である酸素を含む水が、循環配管93及び浄化系配管18を含む閉ループ内に充填される。酸素を含む水の替りに、酸化剤である過酸化水素を含む水または酸素及び過酸化水素を含む水を用いてもよい。循環ポンプ94を駆動して、酸素を含む水を、その閉ループ内を循環させる。循環ポンプ94の回転速度を或る回転速度まで増加させ、その後、弁96を徐々に閉じながらその開度を減少させて循環ポンプ94から吐出される、酸素を含む水の圧力を高める。加熱器95により、その閉ループ内を循環する酸素を含む水を加熱し、その水の温度を上昇させる。このように、循環ポンプ94から吐出される水の圧力を高めながら、その水の温度を上昇させる。弁96が全閉になった後は、循環ポンプ94の回転速度を、さらに、増加させる。このような操作により、その閉ループ内を循環する水の圧力が、例えば、1.6MPaまで上昇し、水の温度は約201℃まで上昇する。閉ループ内を循環する水の圧力及び温度は、上記のそれぞれの値に保持される。なお、閉ループ内を循環する水の圧力を6MPaまで上昇させると、その水の温度は、加熱器95により、約276℃まで上昇させることができる。
酸素を含む約201℃の水89が、循環配管93から浄化系配管18に供給され、浄化系配管18の内面を覆うニッケル金属皮膜83の表面に形成された、白金87が付着したNi0.7Fe2.3O4皮膜85に接触する(図13参照)。浄化系配管18は、循環配管93の両端部が接続された弁23及び25の付近を除いて、保温材(図示せず)で取り囲まれている。約201℃の水89がNi0.7Fe2.3O4皮膜85に接触することによって、浄化系配管18及びニッケル金属皮膜83のそれぞれが加熱され、それぞれの温度が約201℃になる。
酸素を含む水89、浄化系配管18、ニッケル金属皮膜83及びNi0.7Fe2.3O4皮膜85のそれぞれが、200℃以上の約201℃になるため、その水89に含まれる酸化剤である酸素(O2)及び約201℃の水89に含まれる一部の水分子を構成する酸素が、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85を通してニッケル金属皮膜83内に移行し、浄化系配管18に含まれるFeがFe2+となってニッケル金属皮膜83内に移行する(図15参照)。水89に含まれる一部の水分子を構成する酸素は、200℃以上の水89中では単独で移動し易くなり、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85内に入り易くなる。ニッケル金属皮膜83に付着した白金87の作用により、浄化系配管18、ニッケル金属皮膜83及びNi0.7Fe2.3O4皮膜85のそれぞれの腐食電位が低下する。ニッケル金属皮膜83の腐食電位の低下、及び約201℃の高温環境の形成により、ニッケル金属皮膜83内のニッケルがニッケル金属皮膜83内に移行した酸素(水89に含まれる酸化剤及びこの水89の一部の水分子を構成する酸素)及びFe2+と反応し、Ni1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライト(NiFe2O4)が生成される。このため、浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83がこのニッケルフェライトの皮膜91に変換され、ニッケルフェライト皮膜(第2ニッケルフェライト皮膜)91が浄化系配管18の内面を覆うことになる(図16参照)。ニッケルフェライト皮膜91が、浄化系配管18の、ニッケル金属皮膜83が覆っていた内面全体を覆う。ニッケルフェライト皮膜91の表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に白金87が付着している。生成されたNi1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライトは、約201℃の高温環境下で形成されるため、Ni0.7Fe2.3O4よりも結晶が大きくなっている。
加熱システムを配管系から取り外す(ステップS17)。Ni1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライトの皮膜91が浄化系配管18の内面を覆って形成された後、浄化系配管18に接続されている加熱システム92が浄化系配管18から取り外される。加熱システム92の循環配管93の一端部が弁23のフランジから取り外され、循環配管93の他端部が弁25のフランジから取り外される。その後、浄化系配管18が復旧される。
そして、燃料交換が終了してBWRプラント1の保守点検が終了した後、次の運転サイクルでの運転に入るために、白金87が付着したNi0.7Fe2.3O4皮膜85を表面に形成しているニッケルフェライト皮膜91が内面に形成された浄化系配管18を有するBWRプラント1が起動される。浄化系配管18内を流れる炉水は、ニッケルフェライト皮膜91が形成されているため、浄化系配管18の母材に直接接触することはない。
本実施例は実施例1で生じた各効果を得ることができる。
さらに、本実施例では、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85に付着した白金87により浄化系配管18、ニッケル金属皮膜83及びNi0.7Fe2.3O4皮膜85のそれぞれの腐食電位が低下した状態で、かつ200℃以上である約201℃の高温環境下で、前述したように、ニッケル金属皮膜83から生成された、Ni1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライトの皮膜91は、炉水と接触する状態(例えば、BWRプラント1の運転中)においても、付着した白金87の作用により炉水中に溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜である。このように、本実施例では、BWRプラント1の運転中においても白金87の作用により炉水中に溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜91を浄化系配管18の内面に生成することができる。付着した白金87の作用によっても炉水中に溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜91は、60℃〜100℃の低い温度範囲で生成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜よりも長期に亘って浄化系配管18への放射性核種の付着を抑制することができる。具体的には、浄化系配管18の内面に形成されたその安定なニッケルフェライト皮膜91は、複数の運転サイクル、例えば、5つの運転サイクル(例えば、5年間)に亘って浄化系配管18への放射性核種の付着を抑制することができる。このため、浄化系配管18に対して実施される化学除染の回数を減少させることができる。
BWRプラント1の運転中では、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に付着した白金87の作用により、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の表面の、浄化系配管18内を流れる炉水90に接触する部分でNi0.7Fe2.3O4皮膜85に含まれるNi0.7Fe2.3O4が炉水90中に溶出する。このため、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85のうち、付着した白金87とニッケルフェライト皮膜91の間に存在するNi0.7Fe2.3O485Aを残した状態で、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85からNi0.7Fe2.3O4が溶出し、やがて、BWRプラント1の運転中において、炉水90がニッケルフェライト皮膜91の表面に接触する(図17参照)。このような状態でも、ニッケルフェライト皮膜91が浄化系配管18の内面を覆っているため、浄化系配管18の内面と炉水90との接触を防ぐことができ、炉水90に含まれる放射性核種が、浄化系配管18の母材に取り込まれることはない。
付着した白金87とニッケルフェライト皮膜91の間に残っているNi0.7Fe2.3O485Aは、ニッケル、浄化系配管18から移行するFe2+、及び炉水90から移行する酸素及びニッケルと反応して、付着した白金87(貴金属)の作用によっても炉水90に溶出しない溶解しないニッケルフェライト(NiFe2O4)、すなわち、ニッケルフェライト皮膜91に含まれる、白金87の作用によっても炉水90に溶出しないニッケルフェライトに変わる。このニッケルフェライトは、還元環境下で生成された皮膜であり、耐還元性有しており、炉水90に溶出しない。なお、炉水90はニッケルを含んでいる。
前述したように、ニッケル金属皮膜83と浄化系配管18の母材との密着性が非常に強いため、本実施例で生成されたニッケルフェライト皮膜91と浄化系配管18の母材との密着性も非常に強くなる。ニッケルフェライト皮膜91も、浄化系配管18からはがれることはない。
本実施例では、ニッケル金属皮膜83の、浄化系配管18の内面への形成、及び白金87の、ニッケル金属皮膜83表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面への付着が、BWRプラント1の運転停止後で再起動前のBWRプラント1の運転停止中に行われ、さらに、ニッケル金属皮膜83のニッケルフェライト皮膜91への変換もBWRプラント1の運転停止中に行われるため、後述の実施例3のように、BWRプラント1の起動時においてニッケル金属皮膜83に含まれるニッケルの炉水への溶出が生じなく、ニッケルフェライト皮膜91により、原子炉出力が100%出力になるまでのBRWプラント1の起動時における浄化系配管18への放射性核種の付着を抑制することができる。
浄化系配管18の内面に白金を直接付着させた場合には、ステンレス鋼製の構成部材(例えば、再循環系配管6)における応力腐食割れの発生を抑制するために、BWRプラントの運転中においてRPV3内の炉水に水素注入を注入したとしても、この水素を含む炉水が浄化系配管18内に流入して炭素鋼製の浄化系配管18の内面に接触すると、浄化系配管18の内面に付着した白金の作用により、浄化系配管18の腐食電位が上昇する。このため、浄化系配管18の内面に酸化皮膜が形成され、この酸化皮膜に炉水に含まれる放射性核種が取り込まれる。この放射性核種により、浄化系配管18の表面線量率は上昇する。
これに対し、本実施例では、白金の作用によっても溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜91が浄化系配管18の内面を覆っており、白金87が、ニッケルフェライト皮膜91の表面に形成されたNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面(またはニッケルフェライト皮膜91の表面に残っているNi0.7Fe2.3O485Aの先端)に付着しているので、BWRプラント1の運転中においても、その白金87の作用により、浄化系配管18及びニッケルフェライト皮膜91の腐食電位が低下し、浄化系配管18及びニッケルフェライト皮膜91への放射性核種の取り込みが生じない。BWRプラント1の運転中において炉水に水素を注入しているときでも、浄化系配管18及びニッケルフェライト皮膜91の腐食電位が低下し、これらへの放射性核種の取り込みが生じない。
本発明の好適な他の実施例である実施例3の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法を、図13を用いて以下に説明する。本実施例の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法は、BWRプラントの浄化系配管に適用される。
本実施例の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法では、実施例1の原子力プラントの炭素鋼部材への貴金属の付着方法におけるステップS1〜S14の各工程、及び新たなステップS15、S19及びS20の各工程が実施される。本実施例の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法では、実施例1で用いられる皮膜形成装置30がステップS1〜S14の各工程で用いられる。さらに、本実施例の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法は、実施例2の炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法においてステップS16〜S18の各工程をS19及びS20の各工程に替えた方法である。
皮膜形成装置を配管系から除去する(ステップS15)。ステップS1〜S14の各工程が実施された後、実施例2と同様に、浄化系配管18に接続されている皮膜形成装置30が浄化系配管18から取り外される。そして、浄化系配管18が復旧される。
原子力プラントを起動させる(ステップS19)。燃料交換が終了してBWRプラント1の保守点検が終了した後、次の運転サイクルでの運転に入るために、白金87を付着したNi0.7Fe2.3O4皮膜85で表面が覆われたニッケル金属皮膜83を内面に形成している浄化系配管18を有するBWRプラント1が起動される。
200℃以上の炉水を白金が付着されたニッケルフェライト皮膜(Ni0.7Fe2.3O4皮膜)に接触させる(ステップS19)。BWRプラント1が起動されたとき、RPV3内のダウンカマに存在する炉水は、前述したように、再循環系配管6及びジェットポンプ5を通って炉心4に供給される。炉心から吐出された炉水は、ダウンカマに戻される。炉心4から制御棒(図示せず)が引き抜かれて炉心4が未臨界状態から臨界状態になり、炉心4内の炉水が燃料棒内の核燃料物質の核分裂で生じる熱で加熱される。炉心4では蒸気が発生していない。さらに、制御棒が炉心4から引き抜かれ、原子炉2の昇温昇圧工程において、RPV3内の圧力が定格圧力まで上昇され、その核分裂で生じる熱によって炉水が加熱されてRPV3内の炉水の温度が定格温度(280℃)まで上昇される。RPV3内の圧力が定格圧力になり、炉水温度が定格温度に上昇した後、炉心4からのさらなる制御棒の引き抜き、及び炉心4に供給される炉水の流量増加により、原子炉出力が定格出力(100%出力)まで上昇される。定格出力を維持した、BWRプラント1の定格運転が、その運転サイクルの終了まで継続される。原子炉出力が、例えば、10%出力まで上昇したとき、炉心4で発生した蒸気が主蒸気配管8を通してタービン9に供給され、発電が開始される。
炉水90には、酸素及び過酸化水素が含まれている。酸素及び過酸化水素は、RPV3内で炉水90の放射線分解により生成される。RPV3内の炉水90は、再循環系配管6から浄化系配管18内に導かれ、浄化系配管18の内面に形成されている、白金87が付着したNi0.7Fe2.3O4皮膜85に接触する(図14参照)。原子炉2の昇温昇圧工程において、前述の核分裂で生じる熱による炉水の加熱により、このニッケル金属皮膜83に接触する炉水90の温度は、上昇し、やがて、200℃以上になり、280℃まで上昇する。炉水90の温度が200℃以上になると、ニッケル金属皮膜83及び保温材で取り囲まれている浄化系配管18のそれぞれの温度も200℃以上になる。この結果、炉水90に含まれる酸化剤である酸素及び200℃以上の炉水90に含まれる一部の水分子を構成する酸素がNi0.7Fe2.3O4皮膜85を通してニッケル金属皮膜83内に移行し、浄化系配管18に含まれるFeがFe2+となってニッケル金属皮膜83内に移行する(図15参照)。炉水90に含まれる一部の水分子を構成する酸素も、200℃以上の炉水90中では単独で移動し易くなり、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85内に入り易くなる。浄化系配管18及びニッケル金属皮膜83等は、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に付着した白金87の作用によって、腐食電位が低下する。実施例2と同様に、浄化系配管18及びニッケル金属皮膜83の腐食電位の低下、及び約200℃以上の高温環境の形成により、ニッケル金属皮膜83内のニッケルが移行した酸素(炉水90に含まれる酸化剤及びこの炉水90の一部の水分子を構成する酸素)及びFe2+と反応し、Ni1-xFe2+xO4においてxが0であるニッケルフェライト(NiFe2O4)が生成される。
このため、浄化系配管18の内面に形成されたニッケル金属皮膜83がニッケルフェライトの皮膜91に変換され、ニッケルフェライト皮膜91が浄化系配管18の内面を覆うことになる(図16参照)。ニッケルフェライト皮膜91が、浄化系配管18の、ニッケル金属皮膜83が覆っていた内面全体を覆う。ニッケルフェライト皮膜91上に白金87が付着している。
本実施例は実施例2で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例では、実施例2のように、皮膜形成装置30を浄化系配管18から取り外した後における加熱システム92の浄化系配管18への接続作業、及びニッケルフェライト皮膜91が浄化系配管18の内面に形成された後における加熱システム92の浄化系配管18からの取り外し作業を行う必要がない。皮膜形成装置30を浄化系配管18から取り外した後に、BWRプラント1を起動させるだけで、浄化系配管18の内面に形成されてニッケル金属皮膜83をニッケルフェライト皮膜91に変えることができる。このため、浄化系配管18の内面への、付着した白金によっても炉水90中に溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜91の形成に要する時間を、加熱システム92の浄化系配管18への接続及び加熱システム92の浄化系配管18からの取り外しの各作業を実施しない分、実施例2よりも短縮することができる。
本実施例では、ニッケル金属皮膜83の、浄化系配管18の内面への形成、及び白金87のニッケル金属皮膜83を覆うNi0.7Fe2.3O4皮膜85への付着が、実施例2と同様に、BWRプラント1の運転停止中に行われるが、ニッケル金属皮膜83のニッケルフェライト皮膜91への変換が、実施例2と異なり、BWRプラント1の起動時において行われる。このため、炉水の温度が200℃未満の状態では、ニッケル金属皮膜83がニッケルフェライト皮膜91に変わっていなく、浄化系配管18の内面が、白金87が付着したNi0.7Fe2.3O4皮膜85を表面に形成したニッケル金属皮膜83で覆われている(図14参照)。この状態でも、白金87の作用により、炉水90が接触しているNi0.7Fe2.3O4皮膜85、さらには、浄化系配管18及びニッケル金属皮膜83のそれぞれの腐食電位が低下し、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85,ニッケル金属皮膜83及び浄化系配管18のそれぞれへの放射性核種の取り込みは生じない。このように、浄化系配管18への放射性核種の付着が抑制される。
BWRプラント1の運転中において、実施例2で述べたように、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85のうち、付着した白金87とニッケルフェライト皮膜91の間に存在するNi0.7Fe2.3O485Aを残した状態で、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85からNi0.7Fe2.3O4が溶出し、やがて、BWRプラント1の運転中において、炉水90がニッケルフェライト皮膜91の表面に接触する(図17参照)。このような状態になっても、ニッケルフェライト皮膜91が浄化系配管18の内面を覆っているため、炉水90に含まれる放射性核種が浄化系配管18の母材に取り込まれることを防止できる。なお、付着した白金87とニッケルフェライト皮膜91の間に残っているNi0.7Fe2.3O485Aは、実施例2と同様に、BWRプラント1の運転中において、ニッケルフェライト皮膜91に含まれる、白金87の作用によっても炉水90に溶出しないニッケルフェライト(NiFe2O4)に変わる。
もし、炉水90がニッケル金属皮膜83に接触する場合には、極微量であるがニッケル金属皮膜83に含まれるニッケルが炉水90中に溶出する。炉水90がニッケル金属皮膜83に接触する期間が長くなる、例えば、一つの運転サイクルの期間に亘ると、ニッケル金属皮膜83が消失する可能性もある。しかしながら、本実施例では、BWRプラント1の起動時における昇温昇圧工程で炉水90の温度が200℃以上になると、前述したように、ニッケル金属皮膜83がニッケルフェライト皮膜91に変わるので、運転サイクルのほとんど大部分の期間では、白金87の作用によっても溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜91が浄化系配管18の内面を覆っているため、白金87の作用により溶出しない安定なニッケルフェライト皮膜91により、浄化系配管18への放射性核種の付着が抑制される。ニッケル金属皮膜83が浄化系配管18の内面を覆っている、炉水90の温度が200℃未満の期間は、一つの運転サイクルの期間において極短い期間である。このため、ニッケル金属皮膜83から炉水90に溶出するニッケルの量は極僅かであり、ニッケル金属皮膜83がニッケルフェライト皮膜91に変わるまでの間において、ニッケル金属皮膜83の厚みはほとんど変化しない。
以上述べた各実施例では、還元剤及びpH調整剤として、同じ物質であるヒドラジンを用いたが、還元剤及びpH調整剤として異なる物質を用いてもよい。この場合には、循環配管34に接続された還元剤注入装置40以外に、特開2015−158486号公報の実施例5(図15参照)に記載されているように、循環配管34に接続されたpH調整剤注入装置を設ける必要がある。このpH調整剤注入装置は薬液タンク、注入ポンプ、弁及び注入配管を有し、この薬液タンクは注入ポンプ及び弁を有する注入配管によって循環配管34に接続される。そして、還元剤注入装置40の薬液タンク56には、還元剤である、例えば、カルボヒドラジド水溶液が充填され、ステップS5及びS11の各工程においてカルボヒドラジド水溶液が循環配管34に注入される。また、pH調整剤注入装置は薬液タンクには、pH調整剤であるヒドラジン水溶液が充填され、ステップS7においてヒドラジン水溶液が循環配管34に注入される。pH調整剤として還元剤と違う物質を用いる場合には、浄化系配管18の内面にニッケル金属皮膜83を形成した後、ステップS5の還元剤(例えば、カルボヒドラジド)の注入を停止して、ステップS6とステップS7の間(ステップS7とステップS8の間)で、pH調整剤注入装置からpH調整剤であるヒドラジンを循環配管34内に注入し、鉄(II)イオン、過酸化水素、ギ酸、カルボヒドラジド及びヒドラジンを含む、pHが例えば7で90℃の第2皮膜形成水溶液を生成し、この第2皮膜形成水溶液を循環配管34から浄化系配管18内に供給する。これにより、Ni0.7Fe2.3O4皮膜85がニッケル金属皮膜83の表面に形成される。ステップS8では、シュウ酸、ギ酸、カルボヒドラジド及びヒドラジンが、分解装置63で分解される。なお、pH調整剤としては、ヒドラジン以外に、ホルムヒドラジン、ヒドラジンカルボアミド及びカルボヒドラジドのいずれかを用いてもよい。
実施例2及び3において浄化系配管18の内面に形成されたニッケルフェライト皮膜91によって浄化系配管18の内面への放射性核種の付着が抑制されるが、複数の運転サイクルでのBWRプラント1の運転により、極少量ずつではあるが各運転サイクルにおいて放射性核種が浄化系配管18の内面に付着して蓄積される。このため、例えば、5つの運転サイクル(5年間)に亘るBWRプラント1の運転が終了した後、BWRプラント1の運転停止期間においてBWRプラント1の浄化系配管18に皮膜形成装置30が接続され(ステップS1)、この浄化系配管18に対して還元除染が実施され、放射性核種が付着したニッケルフェライト皮膜91が除去される(ステップS2)。
さらに、還元除染が実施されてニッケルフェライト皮膜91が除去された浄化系配管18に対して、実施例3の放射性核種の付着抑制方法におけるステップS3〜S15、S18及びS19の各工程が実施される。この結果、浄化系配管18の内面にニッケルフェライト皮膜91が形成され、ニッケルフェライト皮膜91の表面を覆っているNi0.7Fe2.3O4皮膜85の表面に白金が付着した状態が生じる。このニッケルフェライト皮膜91が形成された状態で、BWRプラント1が、例えば、次の5つの運転サイクルに亘って、還元除染を実施しないで運転される。なお、還元除染が実施されてニッケルフェライト皮膜91が除去された浄化系配管18に対して、実施例2の放射性核種の付着抑制方法におけるステップS3〜S18の各工程を実施してもよい。
実施例1ないし3のそれぞれは、加圧水型原子力プラント及びカナダ型重水冷却圧力管型原子力プラントの炉水に接触する炭素鋼部材に対して適用することができる。