JPH0220080B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、放射性イオンの付着を防止するため
の酸化皮膜形成方法に係り、特に沸騰水型原子力
プラントの一次冷却水系の配管のように、放射性
物質が溶解している液と接して使用される金属部
材に対する酸化皮膜形成方法に関するものであ
る。

〔従来技術〕

原子力プラントの一次冷却水系に使用されてい
る配管、ポンプ、弁等の構造材はステンレス鋼及
びステライト鋼等から構成されている。これらの
構造材を構成する金属は長期間使用されると腐食
損傷をうけ、構成金属元素が一次冷却水中に溶出
し、原子炉内に持ち込まれる。溶出金属元素は大
半が酸化物となつて燃料棒に付着し、中性子照射
をうける。その結果、 ⁶⁰Co， ⁵³Co， ⁵¹Cr，
⁶⁴Mn等の比較的長半減期の放射性核種が生成す
る。これらの放射性核種は一次冷却水中に再溶出
してイオンあるいはこのイオンが主として原子炉
内で酸化されて生成する不溶性固体成分（以下、
クラツドと称する）として浮遊する。浮遊する一
部は炉水浄化用の脱塩器等で除去されるが、残り
は一次冷却水系を循環しているうちに主にステン
レス鋼からなる構造材表面に付着する。このた
め、構造材表面における線量率が高くなり、保
守、点検を実施する際の作業員の放射線被曝が問
題となつている。

このため、構造材の表面線量率の上昇を防止す
る方法として、構造材に付着した放射性物質を除
去する方法が検討され、実施されている。除去方
法として、 (1) 機械的洗浄方法 (2) 化学的洗浄方法 (3) 電気分解による洗浄方法 などがある。

(1)の機械的洗浄方法は主として部品に適用さ
れ、たとえば高圧ジエツト水により表面を洗浄す
るものである。しかし、この方法では密着性の強
い放射性物質の除去が困難であり、また広い範囲
を系統的に除染することはできない。事実、この
方法により一時的に線量率を低減しても、その後
の長期的な使用により再び線量率が上昇する傾向
にある。

(2)の化学的洗浄方法は酸性溶液等の薬剤を用い
て化学反応により鋼表面の酸化皮膜を溶解し、同
皮膜中に存在する放射性物質を除去するものであ
る。この方法の問題点は、薬剤による構造材の腐
食損傷にある。すなわち、皮膜を溶解する際に構
造材も腐食損傷を受け、また除染後に残留した微
量の薬剤が構造材の応力腐食割れを引きおこすお
それがある。

(3)の電気分解による洗浄方法も(1)の機械的洗浄
方法と同様の問題点をもつている。

さらに、放射性物質の付着量を低減させるた
め、その源である金属元素の溶出そのものを抑制
する方法もなされている。すなわち、一次冷却水
中の金属不純物の大部分は給水系の構造材が腐食
して原子炉内に搬入されて生成するものであるの
で、酸素を給水系内に注入して腐食を抑制させ、
鉄を始めとする腐食生成物の原子炉内への流入を
抑え、放射化量を低減せしめており、線量率低減
について一応の成果をあげている。より一層の線
量率低減をはかるため、構造材上の酸化皮膜形成
の初期における放射性イオンの酸化皮膜へのとり
こみを抑制するため、あらかじめ構造材内面への
予備酸化が考えられている。これは、 ⁶⁰Coなど
の放射性イオンの構造材中への取り込み速度が構
造材内面への酸化皮膜形成速度に比例すること、
および酸化皮膜の形成速度が高温水浸漬初期に著
しく大きくなることに着目してなされているもの
である。この場合、予備酸化のためには、構造材
内面を約250℃以上の高温水中に浸漬する必要が
あり、しかもステンレス鋼のように腐食速度が小
さく、従つて酸化皮膜形成速度が比較的小さい材
料に対しては予備酸化時間を少なくとも数百時間
かけなければ放射性イオンの酸化皮膜へのとり込
みを抑制するというう効果が得られないなど、長
時間にわたつてプラントの運転を中断することが
できない実際の原子力プラントに適用するには問
題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、構造材の酸化皮膜形成を加速
して構造材への予備酸化時間を短縮し、放射性イ
オンが酸化皮膜に取り込まれることを抑制できる
原子力プラントの放射性物質の付着抑制方法を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記の目的を達成するために上記酸
化皮膜を加速して形成するにあたり、対象構造材
をアノード分極することにより、酸化皮膜の形成
を電気的に加速するようにしたものである。さら
に、酸化皮膜形成時に、酸化皮膜形成成分元素、
例えばニツケル、クロムのようにたとえ原子炉内
で照射された後に構造材表面に付着したとしても
短半減期故に付着による表面線量率の増加に寄与
しない成分元素の高温水中における濃度を高める
ために、その成分元素を含む溶出金属片をアノー
ド分極し、かつ溶出速度が大きくなるよう電位を
かけるようにしたものである。

すなわち、本発明の特徴は、放射性物質が溶解
している液と接して使用される金属からなる構造
材を使用する原子力プラントの放射性物質の付着
抑制方法において、前記液中に参照電極を設けて
該参照電極と前記構造材との電位差を前記構造材
に酸化皮膜が形成される範囲の電位に保ち、酸化
皮膜を形成する成分元素を含む金属片と参照電極
と第１の陰極用電極を前記液中に設けて前記金属
片と前記参照電極との電位差を前記金属片から金
属イオンが溶出される範囲の電位に保ちながら前
記金属片と前記第１の陰極用電極の間を流れる電
流を調整することによつて前記液中の金属イオン
濃度を高め、前記液中に第２の陰極用電極を設け
て前記構造材を陽極とし、前記第２の陰極用電極
を陰極とするように前記構造材と前記第２の陰極
用電極の間を流れる電流を調整することによつ
て、前記構造材に前記溶出金属イオンの酸化皮膜
を形成することにある。

上記の本発明の特徴は次のような知見に基づい
ている。構造材であるステンレス鋼を例にとつて
説明するとステンレス鋼の電位−電流の関係は第
１図に示すようになることが知られている。ここ
で電位とは、標準水素電極に対するステンレス鋼
の電位である。第１図によれば、電位の絶対値が
小なる部分（すなわち、Ａ領域）と、電位の絶対
値が大なる部分（すなわち、Ｂ領域）の２ケ所に
電流の極大点が存在する。電位の絶対値が大なる
Ｂ領域における電流の極大点は、ステンレス鋼か
ら金属イオンが溶出することに対応している。ま
た、電位の絶対値が小なるＡ領域における電流の
極大点は、ステンレス鋼の酸化皮膜が形成される
ことに対応している。構造材に外部から強制的に
第１図のＢ領域の電位を保つように通電すること
により、構造材内面を強制的に腐食することによ
つて、自然に酸化皮膜を形成する場合または化学
的方法によつて酸化皮膜を形成する場合に比べて
酸化皮膜を短時間に形成させることができる。ま
た、溶出金属片の電位を、第１図のＡ領域の電位
に保つように通電することにより、金属片の溶出
を加速して液中の金属イオン濃度を高める。

〔発明の実施例〕

先ず、本発明の実施例を説明する前に溶出金属
片を用いない場合を第２図により説明し、次に溶
出金属片を用いた本発明の実施例を説明する。第
２図においては、構造材として液が流通するステ
ンレス鋼配管を例にとり、この配管の内面に酸化
皮膜を形成する際に加速して短期に形成するため
の例を示している。

酸素を溶存している液が流れる配管２は、その
途中に循環ポンプ４、液を加熱する昇温装置６お
よび酸化皮膜を形成される配管８を備えて循環系
を形成している。この循環系内に純水を供給する
ための純水タンク１０と注入ポンプ１２が循環系
に接続される。純水中の溶存酸素濃度は、純水タ
ンク１０内に酸素を混入した窒素ガスを吹きこむ
ことによつて、200ppbに調整してある。酸化皮
膜形成配管８には、陰極用電極１４と参照電極１
６を設け、それぞれ配管８内の液中に浸漬する。
陰極用電極１４のリード線１８と参照電極１６の
リード線２０は、それぞれ電極シール２２，２４
によつて酸化皮膜形成配管８から電気的に絶縁さ
れている。また、酸化皮膜形成配管８には配管電
極２６が設けられ、この配管電極２６はリード線
２８によつて定電圧追従電流源３０の一方の端子
に接続され、他方の端子は陰極用電極１４のリー
ド線１８に接続される。また、配管電極２６のリ
ード線２８と参照電極１６のリード線２０は電圧
計３２に接続される。

以上の構成において、純水タンク１０内の酸素
を含む純水は、注入ポンプ１２を介して循環系配
管２内に注入され、循環ポンプ４によつて配管２
内を循環する。配管２内の液は、昇温装置６によ
つて、沸騰水型原子炉の炉水温度である約280℃
に昇温される。昇温された液はさらに循環されて
酸化皮膜形成配管８内に流入する。電圧計３２に
よつて参照電極１６と酸化皮膜形成配管８の配管
電極２６との間の電位差を測定し、この電位差を
考慮した酸化皮膜形成配管８の配管電極２８と陰
極用電極１４との間の電位を、第１図のＡ領域の
電位に保つように、定電圧追従電流源３０より酸
化皮膜形成配管８に電流を流す。この場合、酸化
皮膜形成配管８は陽極（アノード）になり、電極
１４は陰極となり、電流は酸化皮膜形成配管８か
ら高温液を伝わり、陰極１４に流れる。酸化皮膜
形成配管８の主要な構成元素である鉄は、次の反
応によつてイオンになる。すなわち、陽極である
配管８において、 Fe→Fe²⁺＋2e^- ………(1) の反応がおこり、一方、陰極において 2H⁺＋１／２O₂＋2e^-→H₂O ………(2) の反応がおこり、(1)および(2)の反応から次のよう
な反応がおこなわれたことになる。

Fe＋2H⁺＋１／２O₂→Fe²⁺＋H₂O ………(3) 生成された鉄イオン（Fe²⁺）は高温液中の溶
存酸素と反応し、水酸化鉄を経てFe₃O₃を主体と
する酸化皮膜層が配管８内面に形成される。

この時、酸化皮膜形成配管８の単位面積あたり
10μアンペア／cm²の電流を流して酸化皮膜を形成
させることにより、通電しない高温液中で自然に
腐食させて酸化皮膜を形成した場合に比べて10倍
以上の速度で酸化皮膜を形成することができた。
従つて、原子力プラントの配管内面に放射性物質
が取り込まれないために効果的な配管予備酸化皮
膜とされる0.5μｍないし1μｍの酸化皮膜形成に要
する時間は、数十時間に短縮することができる。

本例においては、硫酸ナトリウムを液中に加え
て約１×10^-5mo／の濃度にすることにより
電気伝導度を約10μs／cmに保つことにより、液中
を電流が十分に流すことができた。もし、配管８
の高温液中の電気伝導度が極端に小さい場合、た
とえば0.1μs／cm以下の場合には、硫酸ナトリウ
ム等の溶液を配管母材に悪影響をおよぼさない程
度加えて液の電気伝導度を高める必要がある。

次に本発明の実施例を第３図により説明する。
第２図に示す例においては、酸化皮膜形成配管８
の鉄が高温液中に溶出し、液中の酸素と結合して
酸化鉄となり、配管８の内面に酸化皮膜層を形成
したが、本発明は、酸化皮膜の形成をさらに速く
するため、あるいは ⁶⁰Coなどの放射性物質を取
り込みにくい酸化皮膜を形成するために、高温液
中の金属イオン濃度を高めたものである。第３図
は、このように第２図に示す例において高温液中
の金属イオン濃度を高める場合の実施例を示して
いる。第３図において、同一部分については同一
符号を付してある。昇温装置６と酸化皮膜形成配
管８との間の循環系内に溶出容器３４を設置す
る。溶出容器３４には、液中に溶出させる金属イ
オンの元素を含む溶出金属片３６と陰極３８と参
照電極４０を液中に浸漬するように設置する。溶
出金属片３６、陰極３８、参照電極４０のそれぞ
れのリード線４２，４４，４６は溶出容器３４外
に出され、溶出金属片３６のリード線４２と参照
電極４０のリード線４６はそれぞれ電圧計４８の
両端子に接続され、溶出金属片３６のリード線４
２と陰極３８のリード線４はそれぞれ定電圧追従
電流源５０の両端子に接続される。各リード線４
２，４４，４６は電極シール５２，５４，５６に
よつて溶出容器３４と電気的に絶縁している。

このような構成のとき、溶出金属片３６と参照
電極４０との間の電位差を電位計４８で測定し、
溶出金属片３６の電位を第１図のＢ領域、すなわ
ち金属が溶出する電位に保つように定電圧追従電
流計５０から溶出金属片３６に電流を流す。この
場合、溶出金属片３６は陽極になり、電流は、溶
出金属片３６から高温液を伝わつて陰極３８に流
れる。溶出金属片３６としては、原子炉内で照射
されたとしてもその放射化断面が小さくて放射化
さにくに元素か、放射化されても比較的短い半減
期とか比較的エネルギーの小さい放射線を発生す
る核種が生成される元素であり、かつ酸化皮膜の
成分元素となりうるものであればよい。たとえ
ば、ニツケル、クロム、チタンなどの単体または
ステンレス鋼のようにこれらの金属元素を含む金
属でもよい。本実施例においては、ステライト材
を溶出金属３６として使用して高温液中の金属元
素濃度を約10ppbに保ち、ステンレス鋼製の酸化
皮膜形成配管８にクロム含有量の多い酸化皮膜を
形成した。

次に、原子炉一次冷却系配管の内面に酸化皮膜
を加速成形する場合の系統を第４図に示す。沸騰
水型原子炉一次冷却系では、原子炉５８で発生し
た蒸気は主蒸気系配管６０を通り、タービン６２
を回転させて発電する。蒸気は復水器６４で凝縮
して復水となり、脱塩器６６、給水ヒータ６８を
通り、原子炉５８に戻る。一方、炉水は、再循環
系７０により大部分が循環し、一部は炉水浄化系
７２内の浄化器７４を経て給水系配管７６に戻さ
れ、原子炉５８に入る。再循環系７０内に、第３
図に示す実施例と同様に、炉水中に金属イオンを
溶出するための金属溶出部７８および酸化皮膜加
速形成部８０を設ける。金属溶出部７８は、溶出
金属片３６、陰極３８、参照電極４０、電圧計４
８、定電圧追従電流源５０などから構成され、酸
化皮膜加速形成部８０は、陰極１４、参照電極１
６、配管電極２６、電圧計３２、定電圧追従電流
計３０などから構成され、その作用は第３図に示
す実施例と同様である。酸化皮膜形成に使用され
る電流値は配管内表面積１m²あたり約0.1アンペ
アＡとし、印加電圧は高温炉水の電気抵抗分を含
んで約10ボルト（Ｖ）であり、消費電力量として
は１m²あたり約１ワツト（Watt）になる。酸化
皮膜の形成に要する時間は数十時間である。こう
して、原子炉核加熱前に再循環系配管の内面酸化
皮膜が形成される。酸化皮膜形成後、電極への通
電を止め、陰極および参照電極はそのまま配管内
にとどめてもよく、またはそれらを引き抜いてシ
ールしても問題はない。

なお、本実施例では再循環系配管への酸化皮膜
形成についてのべたが、再循環系に限定されるこ
となく、炉水浄化系あるいは腐食生成物の溶出源
である給水系配管の酸化皮膜形成にも本発明は適
用できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原子力プラントの構造材をア
ノード分極して構造材に液中の金属イオンの酸化
物から酸化皮膜を形成するので、自然に腐食して
酸化皮膜を形成する場合に比べて約1/10の時間で
形成することができる。従つて、新たにプラント
を建設する場合には原子炉の稼動開始日が10日以
上早められ、既設プラントでは一次冷却系配管の
系統除染後の配管内面の酸化処理日数を大幅に短
縮できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ステンレス鋼配管とその内部流体と
の間の電位および対応する電流の関係を示すグラ
フである。第２図は、溶出金属片を用いない場合
の例を示し、酸化皮膜形成部を有する系統図であ
る。第３図は、本発明の実施例を示し、金属溶出
部および酸化皮膜形成部を有する系統図である。
第４図は、本発明を原子炉炉水再循環系に適用し
た場合の系統図である。 ８……酸化皮膜形成配管、１４，３８……陰
極、１６，４０……参照電極、２６……配管電
極、３２，４８……電圧計、３０，５０……定電
圧追従電流計、５８……原子炉、７０……再循環
系配管、７８……金属溶出部、８０……酸化皮膜
加速形成部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 放射性物質が溶解している液と接して使用さ
   れる金属からなる構造材を使用する原子力プラン
   トの放射性物質の付着抑制方法において、 (a) 前記液中に参照電極を設けて該参照電極と前
   記構造材との電位差を前記構造材に酸化皮膜が
   形成される範囲の電位に保ち、 (b) 酸化皮膜を形成する成分元素を含む金属片と
   参照電極と第１の陰極用電極を前記液中に設け
   て前記金属片と前記参照電極との電位差を前記
   金属片から金属イオンが溶出される範囲の電位
   に保ちながら前記金属片と前記第１の陰極用電
   極の間を流れる電流を調整することによつて前
   記液中の金属イオン濃度を高め、 (c) 前記液中に第２の陰極用電極を設けて前記構
   造材を陽極とし、前記第２の陰極用電極を陰極
   とするように前記構造材と前記第２の陰極用電
   極の間を流れる電流を調整することによつて、
   前記構造材に前記金属イオンの酸化皮膜を形成
   することを特徴とする原子力プラントの放射性
   物質の付着抑制方法。 ２ 前記構造材が原子炉一次冷却系の給水配管で
   ある特許請求の範囲第１項記載の原子力プラント
   の放射性物質の付着抑制方法。