JPH0414743B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、過酸化水素濃度測定方法および装置
に係り、特に、原子炉炉水中の過酸化水素濃度を
オンライン計測するのに好適な過酸化水素濃度測
定方法および装置に関する。

〔発明の背景〕

石英窓を用いて高温水の吸光度を測定する方法
は、クリステンセン（Christensen）の「パルス
ラジオリシス アト ハイ テンプリチヤーズ
アンド ハイ プレツシヤーズ」（“Pulse
Radiolysis at High Temperatures and High
Pressures” ，Radiat.Phy.Chem.Vol.16，183
（1980））という文献に報じられており、220℃ま
での温度依存性が計測されている。しかしなが
ら、一段の石英窓で耐熱性と気密性を同時に確保
しようとする点に難点があるため、それ以上の高
温での計測には成功していない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、軽水炉の構造材料の腐食因子
として重要な過酸化水素の濃度を直接測定し、原
子炉の水質管理の信頼性を向上させる過酸化水素
濃度測定方法および装置を提供することである。

〔発明の概要〕

軽水炉では、炉心で冷却水が中性子、ガンマ線
の強い照射下に曝される結果、酸素、水素をはじ
めとする13種の水の放射線分解生成物が生成す
る。これらの分解生成物は構造材料の腐食因子と
して極めて重要であり、その定量的評価が不可欠
である。個々の分解生成物の生成及び反応速度等
は、実験室レベルではパルスラジオリシス等の手
法により盛んに測定されているが、大部分は室温
〜100℃のものであつて、原子炉の炉水温度まで
測られた例は皆無である。当然、実炉水で測定さ
れた例もない。現在、炉水の水質測定は、炉水を
冷却後にサンプリングし、サンプル水中の酸素、
水素濃度等を測定する方式である。しかしなが
ら、その測定値は冷却操作中に水の放射線分解生
成物が再結合反応した後のものであるために、構
造材料の置かれている環境を真に示しているとは
いえない。

発明者らは、「アナリテイカル エバリユーシ
ヨン オブ ウオーター ラジオリシス」 （“Analytical Evaluation of Water
Radiolysis”The 3rd International Conference
on Water Chemistry，Bournmouth，U.K.，
No7（1983））という論文その他で公表しているよ
うに、沸騰水型原子炉の炉水中で進行する水の放
射線分解反応を数値的に解き、原子炉材料の真の
腐食環境を明らかにした。その結果、第２図に示
すような水の放射線分解生成物の濃度分布が得ら
れた。第２図において横軸は、炉心入口から一次
冷却系の中を流れる液体素片にのつて測つた時間
であつて、その時間に対応して図上部に区分して
あるように、一次冷却系の位置が定まる。同図か
ら、水の放射線分解生成物は、一次冷却系の中で
比較的大きな濃度分布をもつことがわかる。この
ことからも、炉外のサンプリング測定では炉内の
腐食環境を知ることはできないことがわかる。し
たがつて、実炉環境を評価するためには直接測定
が重要になる。

水の放射線分解生成物の中で、特に濃度が高い
のは、第２図からわかるように、水素、酸素、過
酸化水素である。水の放射線分解生成物が、第３
図に示すように、波長190〜300nmの紫外領域に
吸収を持つことはよく知られているが、同図に示
すように、多くの成分が同波長領域に紫外の吸収
をもつため、これまで紫外の吸光により濃度測定
を行なおうとする発想は持たれなかつた。ところ
が第２図に示すように実炉環境では、濃度の高い
水素、酸素は上記の紫外波長領域に吸収をもた
ず、過酸化水素以外の妨害となりうる成分は極め
て低濃度であるため、結局上記波長の吸光度は過
酸化水素濃度のみに対応することになる。

本発明は、こうした新しい知見にもとづき、波
長190〜300nmの紫外光の吸光によつて炉水中の
過酸化水素濃度を測定することを骨子とする。

高温水の紫外の吸光度を測定するには、光を高
温高圧水中に通す窓が必要である。前記波長を対
象とする場合には石英ガラスを用いなければなら
ない。ところが、石英ガラスの曲げ強度が強くな
いために、シール材料は弾性に富む材料を用いる
必要がある。代表的なものは、PTFE（ポリテト
ラフルオロエチレン）、シリコンゴム等であるが、
これらの材料は実炉の285℃という温度条件での
長時間使用はできない。一方、石英窓側面をメタ
ライズ加工して溶接する方法は、温度には耐える
が、強度を期待できない。そこで、本発明では、
285℃での使用を可能とするために次の様な構成
とする。

(1) 石英窓を２段構造とし、炉水に接する第１段
目は、メタライズ加工のうえ溶接する。

(2) 第２段目は、PTFE等の弾性に富むシールと
する。

(3) 石英窓間の雰囲気は、対象とする波長範囲に
吸収をもたないガスとし、これを炉水圧力に等
しくなるように加圧する。

(4) 第２段目の石英窓のシール部は、温度が高く
ならないように、水冷、空冷その他の手段によ
り冷却する。

すなわち、一段目で耐熱性を、２段目で気密性
を確保することが基本的なねらいである。

第２図に示したように、炉水中の過酸化水素
は、一次冷却系内で10〜数100ppbの濃度になる
と推測されるが、この濃度領域に対して紫外吸光
分析は、第４図に示すように、十分な感度をも
つ。

以上述べてきたように、波長190〜300nmの紫
外光の吸光度を、前記構成の紫外光透過窓を用い
て測定すれば、炉水中の過酸化水素を妨害なく測
定できる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明す
る。本実施例では炉水中の光路は、小径配管にま
たは大口径配管からのバイパス管２に交叉する方
向に形成される。炉水は、ベローズ４とメタライ
ズ溶接した石英窓３に接する。石英窓３の内側の
ガス加圧部１３は、配管２の内圧と均衡するよう
ガスを加圧してあり、微少な差圧の変動は、ベロ
ーズ４により吸収する。ガスは、対象とする波長
範囲の吸光がなるべく少ないものが望ましい。過
酸化水素の例では酸素ガスその他のガスでよい。
ガス加圧部１３は、外周に放熱フイン５を設ける
等の手段で冷却し、２段目の石英窓７のシール材
料８，９の温度を十分低く保つようにする。
PTFEの場合は、200℃以下まで下げれば十分で
ある。なお、９はここではＯリングである。２段
目の石英窓７の外側はさらに光路を形成し、内部
にハーフミラー１０を配する。対象とする波長範
囲に、雰囲気の吸収がなければ、この部分は必ず
しも外気と隔離して光路を形成する必要はない。
また、内部をガス封入でなく真空にしてもよい。
３段目の光路は、ハーフミラー１０によつて光が
反射される方向に石英窓１１を設ける。他方の石
英窓１２には光源を、石英窓１１の外部には受光
部を設ける。

測定する場合は、窓１２から光パルスを入射さ
せる。光パルスはハーフミラー１０、窓７，３を
通過し、ミラー１により反射されて、再び窓３，
７を通過し、ハーフミラー１０により反射され、
窓１１から受光部に至る。窓１１，１２の外側に
は直接光源と受光部を設けてもよいし、光フアイ
バー等で光路を延長してもよい。また、３段目の
ハーフミラー１０を内蔵する構造は、ガスを加圧
する窓３の外側に直接連結した構造をとつてもよ
い。光をパルス状に送るのは、入射光と反射光の
光路が共通であるため連続光では干渉を起こすか
らである。

第５図は、第１図に示した光学セルを用いて炉
水の吸光度を測定する場合の計測系を示したもの
で、全体としてはよく用いられる手法である。紫
外光源１７から放射された光は、分光器１８によ
り対象とする波長成分の一部又は全てをとり出さ
れ、メカニカルチヨツパ１９によりパルス光に変
調される。パルス光は、光フアイバ１６を介して
第１図で詳細に説明した光学セルに入射する。第
５図では、簡単のために、光学セルの構造を簡略
化して示した。反射光は光フアイバ２３を通つて
受光部２４に至る。受光部２４の信号はケーブル
２２を介してロツクインアツプ２０に入力され
る。ロツクインアンプ２０には、メカニカルチヨ
ツパ１９（回転円板に一定間隔ごとにスリツトが
はいつているもの）の回転周波数が参照信号とし
て入力され、パルス光の周波数に合致する周波数
を持つ入力信号のみが増幅される。こうしてＳ／
Ｎ比をあげた出力により、炉水中の過酸化水素濃
度を高感度測定できる。なお、２１はレコーダで
ある。

第６図は既存配管にバイパス管２を設けた場合
の最初の通水方法を説明するための図である。バ
イパス管２に最初から高温高圧水を通水すると、
光学セルの第１段目の窓にかかる差圧が大きくな
りすぎ、溶接部が破損するおそれがある。そこ
で、そのような場合には、バイパス管２の上流に
冷却器２５、流調弁２６を設け、光学セル２７の
部分の温度と圧力を徐々に上げるようにする。そ
の時、圧力計２８の信号により流調弁３１，３２
の開度を演算・制御装置３０で決め、加圧装置２
９からのガスの流入量またはセル２７からガスの
放出量を調節する。

第７図は、ガス充填加圧部１３のガス圧制御装
置の例を詳細に示したものである。制御装置３０
には、入力信号として炉水圧力計２８及び加圧部
１３の圧力計３３からの信号が供給される。加圧
部１３の圧力が炉水圧力より大きくなつた場合
は、流調弁３２を開きガスをパージする。この
時、急激な圧力変化を避けるため、弁３２の開度
は、ガス加圧部１３と炉水との差圧が小さいほど
小さくなるように制御する。ガス加圧装置３５
は、制御装置３０からの信号をうけて、サージタ
ンク３４の内圧を炉水より常に高く保ち、ガス加
圧部１３の圧力が炉水より小さくなつた時、弁３
１を開き、加圧部３１の内圧を高める。

第８図は、本発明の別な実施例を示す。第８図
では、光入射部と光受光部とを別な光学セルとし
対向させて設けてある。セルは複雑になるが、連
続光を使えるので、信号処理系が単純になるほ
か、ミラーが不必要であるから、ミラーによる光
の減衰がないという利点がある。第８図に示した
構造は直線部の長さがある程度必要になる。

そうしたスペースが確保できない場合には、第
９図のように、ミラー１を１枚だけ用い、入射
光、反射光に対応する位置に窓３，７を設ける。
第９図の場合、バイパス管２は紙面に直交してい
る。

タンク構造等、バイパス配管を用いて計測する
のが適当でない場合には、第１０図のような構造
とする。第１０図に示した装置は、吸光部３９を
タンク壁４２を介して炉水４３内に浸漬するもの
で、タンク内の必要な位置の過酸化水素濃度を測
定することを目的とする。吸光部３９の周囲には
スリツト３８を設け、周囲の炉水４３との通水を
確保する。第１０図の例では、初段の窓３と、冷
却部の窓７との間隔が長くなる場合のために、緩
衝窓４０を設け、窓４０の周囲にはオリフイス４
１を設ける。このようにして窓３と窓４０の間の
ガス部分で圧力の急変動分を吸収するとともに、
オリフイス４１を介して通気を確保し、圧力の緩
い変動に追従できるようにする。

光の入射部の窓と透過光の窓との光学的連結に
はこれまでの例では光フアイバを用いていたが、
紫外の低波長側ではフアイバが長くなると減衰が
大きくなる。そのような場合は、第１１図に示す
ように、光透過性のよい配管を用意して光路を形
成する。すなわち、内面を研磨したアルミニウム
管、または、内面にアルミ蒸着したパイプ４４を
コネクタ４５により接続して光路を形成する。配
管の曲がり部分は、ベローズ５０内に半固定した
ミラー４９により光を反射させる。ミラー４９の
角度の微調整は、支柱４６，５０の間に取付けた
支持環４７のスリツト内で固定子４８の位置を変
えて調整する。

さて、本発明の構造は、高い耐熱性と気密性と
を同時に満すシール材料を用いれば、さらに単純
化できる。すなわちガスバランス方式が不要とな
るため、第１２図に示すように、吸光部３９に、
ハーフミラー１０を含む常圧の光学系を直結でき
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原子炉炉水中の過酸化水素を
直接測定できるので、原子炉水質の高信頼制御が
可能になり、原子炉の安全と稼働率向上に大きな
効果がある過酸化水素濃度測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は
理論解析により求めた水の放射線分解生成物の原
子炉一次冷却系内の濃度分布を示す図、第３図は
水の放射線分解生成物の吸光スペクトルを示す
図、第４図は過酸化水素濃度と吸光度の実測値の
関係を示す図、第５図は本発明の光学系を用いる
場合の信号処理系の一例を示すブロツク図、第６
図は高温配管に本発明の装置を接続する場合の装
置および操作の説明図、第７図はガス圧制御装置
を示す図、第８図、第９図は本発明の他の実施例
を示す図、第１０図はタンク内の過酸化水素濃度
を測定する場合の本発明の変形例を示す図、第１
１図は本発明の測定装置に接続する配管光路の一
例を示す図、第１２図は本発明の応用例を示す図
である。 １……ミラー、２……炉水配管、３……光学
窓、４……ベローズ、５……冷却フアン、６……
ガス配管、７……光学窓、８……シール、９……
シール、（Ｏリング）、１０……ハーフミラー、１
１……光学窓、１２……光学窓、１３……ガス加
圧部（光路）、１４……光路、１５……ガス配管、
１６……光フアイバ、１７……紫外光源、１８…
…分光器、１９……チヨツパ、２０……ロツクイ
ンアンプ、２１……レコーダ、２２……信号ケー
ブル、２３……光フアイバ、２４……受光部（フ
オトマル等）、２５……冷却器、２６……流調弁、
２７……光学セル、２８……圧力計、２９……加
圧装置、３０……演算・制御装置、３１……流調
弁、３２……流調弁、３３……圧力計、３４……
ガスサージタンク、３５……加圧装置、３６……
ガス供給管、３７……ガスリリース管、３８……
スリツト、３９……吸光部、４０……光学窓、４
１……オリフイス、４２……タンク壁、４３……
炉水、４４……光路配管、４５……コネクタ、４
６……支柱、４７……支持環、４８……固定子、
４９……ミラー、５０……ベローズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉水中に溶存して原子炉構造物内を循環し配
   管等の構造材料の腐食因子となる過酸化水素の濃
   度測定方法において、配管等に設けた光学窓から
   炉水に光を照射し、波長190nm〜300nmの紫外光
   の吸光度により実炉環境下で過酸化水素濃度を測
   定することを特徴とする過酸化水素濃度測定方
   法。 ２ 炉水中に溶存して原子炉構造物内を循環し配
   管等の構造材料の腐食因子となる過酸化水素の濃
   度測定装置において、配管等の壁面に設けられ少
   なくとも紫外光を透過させる光学窓と、この窓か
   ら炉水に紫外光を照射する紫外光照射系と、炉水
   中を通過した紫外光のうち波長190nm〜300nmの
   成分を受光しその強度から炉水の吸光度を計測す
   る紫外光吸光度測定系とからなり、この吸光度に
   より過酸化水素濃度を測定することを特徴とする
   過酸化水素濃度測定装置。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記光学窓
   が、少なくとも２段の紫外光透過素材からなるこ
   とを特徴とする過酸化水素濃度測定装置。 ４ 特許請求の範囲第３項において、前記紫外光
   透過素材の第１段がメタライズされ窓枠に溶接固
   定された石英ガラスであり、第２段素材が窓枠に
   弾性体を介してシールされた石英ガラスであるこ
   とを特徴とする過酸化水素濃度測定装置。 ５ 特許請求の範囲第４項において、第１段と第
   ２段のガラス間の密封空間に紫外光透過性ガスを
   加圧供給する加圧装置を備え、この空間の圧力を
   配管等の内部圧力と近くすることを特徴とする過
   酸化水素濃度測定装置。 ６ 特許請求の範囲第５項において、前記密封空
   間の周囲の器壁が冷却器を備えたことを特徴とす
   る過酸化水素濃度測定装置。 ７ 特許請求の範囲第２項〜第６項のいずれか一
   項において、紫外光照射系が照射すべき光を変調
   するメカニカルチヨツパを備える一方、紫外光吸
   光度測定系がこのチヨツパに同期し透過光を増幅
   するロツクインアンプを備え、変調された紫外光
   のみを検出することを特徴とする過酸化水素濃度
   測定装置。 ８ 特許請求の範囲第２項〜第７項のいずれか一
   項において、紫外光照射系が、光学窓から照射さ
   れた紫外光をその光学窓方向に反射すべく炉水中
   に置かれたミラーを含むことを特徴とする過酸化
   水素濃度測定装置。 ９ 特許請求の範囲第２項〜第７項のいずれか一
   項において、紫外光照射系と紫外光吸光度測定系
   の受光部とが、配管等の直径方向に対向して置か
   れたことを特徴とする過酸化水素濃度測定装置。