JPH04259899A - 沸騰水型原子炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷ
Ｒ）に係わり、特に原子炉タービン系の線量率の上昇を
招くこと無く溶存酸素濃度低減のための水素注入運転を
行なうことができる沸騰水型原子炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉構造材料のＩＧＳＣＣ（粒界応力
腐食割れ、ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ　　ｓｔｒｅｓ
ｓ　　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　　ｃｒａｃｋｉｎｇ）は、
材料の成分組成、応力、水質の３因子が共に好ましくな
い状態にあるときに起こるとされている。従来から原子
炉構造材、特にＳＵＳ３０４鋼に対しては、炭素含有量
を低くすることや、残留応力緩和の熱処理などを施し、
ＩＧＳＣＣの観点からは十分安全側で運転されきた。こ
のように、これまでの方策は、ＩＧＳＣＣの３因子のう
ちで材料、応力の２因子に対するものであったが、近年
、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）において、第３の因子のう
ちの一つである炉水中溶存酸素を低減するため、特開昭
５７−３０８６号公報に見られるように、水素注入が試
みられてきた。

【０００３】図２に水素注入を行う様にした従来のＢＷ
Ｒ一次冷却系の主要系統を示す。同図において、１は原
子炉炉心、２は上部プレナム、３は気水分離器、４はミ
キシングプレナム、５はダウンカマ、６は再循環ポンプ
、７は下部プレナム、８は炉浄化系、９は給水ヒータ、
１０は復水脱塩器、１１Ａは高圧タービン、１１Ｂは低
圧タービン、１２はこれらのタービンにより運転される
発電機、１３は酸素水素再結合器、１４は希ガスホール
ドアップ、１５は復水器、１６は水素注入装置、１７は
給水配管、１８は主蒸気配管、１９はジェットポンプ、
２０は給水ポンプ、２１は復水ポンプである。

【０００４】このように従来技術では、ＢＷＲ一次冷却
系の復水器以後の給水系において給水ポンプ２０の上流
に水素注入装置１６を配置し、注入した水素を、炉心に
おける水の放射線分解の結果生成する酸素と再結合させ
、再循環系６をはじめとして一次冷却系各部の溶存酸素
濃度を低減させることをねらいとしている。

【０００５】注入した水素の大部分は、炉心１の沸騰２
相流下では蒸気相に移行し、主蒸気系１８、タービン１
１を経て、一次冷却系外へ放出される。水素注入時には
同時に放出される酸素ガスに対して水素が大幅に過剰に
なるから、オフガス系の酸素水素再結合器１３の上流で
、この過剰分の水素に見合う酸素または空気を供給する
必要がある。炉水中の酸素濃度は、通常、炉浄化系８に
サンプリング系を設けて測定されることが多い。

【０００６】ＩＧＳＣＣに対する感受性を故意に増した
ＳＵＳ３０４鋼であっても、溶存酸素を２０ｐｐｂ程度
に低減すればＩＧＳＣＣは起きないことが確認されてい
る。

【０００７】しかし水素注入には限界がある。それは、
水素注入により通常は硝酸の形で水中に溶けている放射
性窒素１６Ｎが還元されて気体になり、タービン系ひい
てはサイト敷地境界の線量率が上昇するからである。実
機の例では水素注入量の増加に伴って最大５倍程度の上
昇が報告されている。上記線量率は、ある水素濃度の閾
値までは一定の値を保ち、その閾値から急に増加する傾
向がある。したがって、水素注入量には上限があること
になり、ＢＷＲにおける水素注入運転はその上限以下の
水素注入量で環境緩和を実現する必要がある。

【０００８】他方、主蒸気系の放射線線量率が亜硝酸、
ＮＯガスなどの注入によって低減できることが特願昭６
２−２５９７１１、同６３−１５４７６７に示されてい
る。この方法によれば基本的には放射性窒素のタービン
系での濃度上昇を招くことなくことなく、溶存酸素の濃
度低減が可能であるが、注入量が多すぎると放射性窒素
濃度は下がるものの、溶存酸素濃度が逆に上昇していま
うことや、水の導電率が高くなり、また一次系内で分布
がつくことなど制御に困難な点があった。

【０００９】また、実機条件における気相への放射性窒
素の移行量は、炉水のｐＨを７〜８のアルカリ性に調整
することにより低減されることが、ステータス　　オブ
　　アート　　レポート，２，エー・エヌ・エル−６５
６２（１９６３年）（Ｓｔａｔｕｓｏｆ　　ａｒｔ　　
ｒｅｐｏｒｔ，Ｖｏｌ．ＩＩ，ＡＮＬ−６５６２（１９
６３））に示されている。しかしながら、他方、炉水の
溶存酸素濃度低減のため炉水中にアンモニアを注入した
場合、気相への放射性窒素の移行量は逆に著しく増大す
ることがニュークリアー　　テクノロジー，２９，１６
０（１９７６）（Ｎｕｃｌｅａｒ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ
ｇｙ，２９，１６０（１９７６））において報告されて
いる。従ってこの報告より、アンモニアは水溶液中では
ｐＨを増大させることを考慮すると、気相への放射性窒
素の移行量は炉水のｐＨを単にアルカリ性に調整するこ
とのみでは低減できないことが明らかである。

【００１０】なお、特開昭６３−１５１９００号公報に
は、過剰な水素注入に起因する１６Ｎの放射能によるタ
ービン系線量率の上昇を防ぐ目的のもとに、放射性窒素
の不揮発性化を図るためＯＨラジカルを捕捉する様な薬
剤を水素注入とは別個に復水浄化系の下流に注入し、該
薬剤により炉心部で１６Ｎの化学形態をより不揮発性に
変化させる提案が記載されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ター
ビン系の線量率が上昇しない程度の少量の水素を行い且
つそのような少量の水素注入で溶存酸素濃度低減効果を
十分に奏することを可能にし、しかも、水素注入とは別
に特開昭６３−１５１９００号のような薬剤を注入する
ことを不要とすることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】タービン系の線量率の上
昇は、炉心の高中性子束場で冷却水の酸素原子が１６Ｏ
（ｎ，ｐ）１６Ｎ反応により放射化されて放射性窒素１
６Ｎを生成し、これが気相である主蒸気系へ移行する事
に起因する。

【００１３】本発明はＢＷＲのダウンカマ部での水素−
酸素再結合を促進することによって原子炉一次冷却系へ
の水素注入による溶存酸素濃度の低減効果を高めること
により、タービン系の線量率が上昇しない程度の少量の
水素注入であるにもかかわらず、腐食環境緩和のため溶
存酸素濃度を十分に低減することを可能にすることを意
図している。

【００１４】本発明においては、ダウンカマ部での水素
−酸素再結合の促進は、ダウンカマ部の中性子を水素−
酸素再結合促進効果の高いγ線に変換することにより、
または、原子炉一次冷却系の溶存酸素の源である過酸化
水素を光等の電磁波照射によりダウンカマ部にて効率良
く分解することにより、達成される。

【００１５】

【作用】原子炉一次冷却系の溶存酸素は、炉水の放射線
分解によって生成した過酸化水素の熱分解、および過酸
化水素と炉水の放射線分解生成物であるＯＨ，ｅ−　，
Ｈ等のラジカル種との反応、によって生成する。

【００１６】水素注入時の溶存酸素低減は、主として原
子炉ダウンカマ部での次の反応を介して起こる。　　　
　　　　　Ｈ２　　＋　ＯＨ　→　Ｈ２Ｏ　＋　Ｈ　　
　　　　　　　　　　　　　　（１） 　　　　　　　　Ｈ　＋　Ｏ２　　→　ＨＯ２　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（２） 　　　　　　　　ＨＯ２　＋　ＨＯ２　→　Ｈ２Ｏ２　
＋　Ｏ２　　　　　　　　　　　　（３） 　　　　　　　　Ｈ２Ｏ２　→　２ＯＨ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（４） ここで、水素注入量が多い場合には、注入された水素は
ダウンカマ部での反応（１）および（２）によって消費
しきれず過剰量として炉水に溶存し、原子炉炉心へ達す
る。炉心へ達した過剰の水素は、炉心での反応（１）に
よってＨラジカルを生成する。水素注入量が多い場合、
炉心入口での溶存酸素濃度が低い（これは水素注入によ
りダウンカマ部で溶存酸素濃度が低減されているからで
ある）ため、炉心では反応（２）が遅くなり、従ってＨ
ラジカルは炉心での反応（２）によって消費しきれずに
過剰量として炉心に存在する。この炉心における過剰の
Ｈラジカルは、炉心の高エネルギー中性子束により生成
する放射性窒素１６Ｎをより揮発性の高い化学種へと還
元し、その結果として、原子炉タービン系の線量率が上
昇する。

【００１７】従って、タービン系の線量率を上昇させる
事無く、水素注入により効率良く溶存酸素を低減するた
めには、ダウンカマ部でのγ線線量率を増大させ、以て
炉水の放射線分解によるＯＨラジカルの生成率を増大さ
せることが効果的である。これにより、ダウンカマ部で
の反応（１）が促進され、少量の水素注入により効率良
く溶存酸素を低減できると共に、ダウンカマ部での（１
）の反応の促進により、炉心への過剰の水素持ち込み量
を低減できるため、タービン系の線量率の上昇を抑制す
ることができる。

【００１８】ダウンカマ部には１０５　〜１０６　Ｒ／
ｈ程度のγ線線量率が存在するが、これと同時に原子炉
炉心最外周部のシュラウド壁部分では１０１２〜１０１
３個／ｃｍ２／ｓ程度の熱中性子束が存在する。しかし
、熱中性子束はダウンカマ部径方向に沿って急激に減衰
する。また、中性子はγ線と比較してＯＨラジカル生成
Ｇ値が小さく、反応（１）〜（４）による酸素−水素再
結合反応の促進効果が小さい。従って、シュラウド壁の
内側もしくは外側に（ｎ，γ）反応断面積の大きな材質
を配置することにより、中性子をγ線に変換し、ダウン
カマ部でのγ線線量率を増大させることができる。（ｎ
，γ）反応断面積の大きな材質として、使用済み燃料や
ヨウロピウム、ガドリニウム、サマリウム等の希土類元
素、カドミウム、ボロン、インジウム、水銀、ハフニウ
ム、金、リチウム、銀、コバルト、タンタル、タングス
テン、マンガン等の元素またはこれらの元素の化合物か
らなる材質を用いることができる。

【００１９】また、ダウンカマ部での水素注入時の溶存
酸素低減機構（反応（１）〜（４））において、過酸化
水素の分解反応（４）は反応速度が遅く、この反応（４
）が律速段階である。従って、ダウンカマ部での過酸化
水素の分解反応（４）を促進させる事により、反応（１
）〜（４）により酸素−水素再結合反応を促進させる事
が可能となる。これにより、少量の水素注入により、タ
ービン系の線量率を上昇させること無く、効率良く溶存
酸素を低減することができる。ダウンカマ部での過酸化
水素の分解反応（４）を促進させる方法として、ダウン
カマ部に４００ｎｍ以下の波長をもつ光等の電磁波を照
射することが効果的である。過酸化水素の光分解は４０
０ｎｍ以下の波長の光によって効率的に起こる。

【００２０】ダウンカマ部での過酸化水素の分解反応の
促進は、ダウンカマ部に過酸化水素の接触分解を起こす
効率の高い材質を、高い比表面積で配置することによっ
ても達成される。この場合、ダウンカマ部での圧力損失
が大きくならないように留意する必要がある。

【００２１】

【実施例】本発明の１実施例を図１により説明する。図
１は本発明の原理を適用したＢＷＲの一次系システムの
一例である。ＢＷＲ一次冷却系の復水器１５以降の給水
系において、復水脱塩基１０と給水ポンプ２０の間に水
素注入装置１６から水素注入を行い、給水系配管１７か
ら原子炉のダウンカマ５に水素が注入される。ダウンカ
マ５において水素−酸素再結合反応が起こり、原子炉炉
心１に供給される炉水中の溶存酸素が低減される。

【００２２】原子炉炉心１の最外側のシュラウド壁外側
に（ｎ，γ）反応断面積の大きな材質から構成される中
性子−γ線変換体２２が配置され、炉心からの中性子が
γ線に変換される。これにより、ダウンカマ５における
γ線線量率が増大され、少量の水素注入により、一次冷
却系の溶存酸素濃度は効率良く低減される。

【００２３】また、ダウンカマ５には、４００ｎｍ以下
の波長に大きな光量をもつ光等の電磁波が光照射設備２
３から照射され、ダウンカマ５における水素−酸素再結
合反応はさらに促進される。光照射設備２３は４００ｎ
ｍ以下の波長の光を伝達できる光ファイバであってもよ
い。

【００２４】本実施例により、原子炉炉心１に過剰の水
素を供給することなく、溶存酸素を低減することができ
るので、水素注入による主蒸気系配管１８への放射性窒
素の移行量の増大は抑制される。

【００２５】図３は、（ｎ，γ）反応断面積の大きな材
質から構成される中性子−γ線変換体２２の設置位置を
図１における原子炉炉心１の最外側のシュラウド壁外側
から内側へ変えた場合の実施例であり、その他の構成は
図１と同じである。中性子−γ線変換体２２としては、
使用済み燃料を用いてよい。本実施例の場合も図１の実
施例の場合と同様、原子炉炉心１に過剰の水素を供給す
ることなく、溶存酸素を低減することができるため、水
素注入による主蒸気系配管１８への放射性窒素の移行量
の増大は抑制される。

【００２６】以上の実施例では、中性子−γ線変換体２
２と光照射設備２３との両方を設けたが、その一方のみ
で十分目的を達し得る場合は、他方は省いてもよい。

【００２７】図４は米国ＣＥＲＭＡＸ社製のキセノンラ
ンプ（ＬＸ−３００ＵＶ）を用いて光照射した場合の過
酸化水素の擬一次分解速度定数ｋｏｂｓ　のアレニウス
プロットである。図中、３本の直線は、ランプ電流を変
化させた場合の実験結果である。これにより、ランプ電
流が小さい程活性化エネルギΔＥが大きく、少量の光照
射でも高温では高い値の過酸化水素分解速度が期待でき
る。 図４より、実機ＢＷＲ炉水温度での過酸化水素の擬一次
分解速度定数として１０−２ｓ−１程度の値が予想でき
、これにより、光照射で過酸化水素の分解が促進できる
ことがわかる。

【００２８】図５は、種々の（ｎ，γ）反応断面積σｔ
ｈをもつ板材を原子炉炉心１の最外側のシュラウド壁内
側に設置した場合の、図中の示したγ線線量率Ｄを１年
間維持するに必要な板材の厚さｄを示したものである。 それぞれの熱中性子（ｎ，γ）反応断面積をもつ核種を
図上部に示した。例えば、１５１　Ｅｕの板材を用いた
場合、約１ｃｍの板厚で１０７　Ｒ／ｈのγ線線量率を
１年間維持することができる。これにより、ダウンカマ
５でのγ線線量率を増大させることが可能となり、ダウ
ンカマ５での水素−酸素再結合反応を促進できる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば沸騰水型
原子炉一次冷却系への少量の水素注入により、効率良く
溶存酸素濃度を低減し、材料腐食を抑制すると同時に、
炉心で発生する放射性窒素の気相移行量の増大を抑制し
、主蒸気配管およびタービン系の放射能量を低減するこ
とがでる。また、（ｎ，γ）反応を起す材料をシュラウ
ド壁の内側又は外側に設けることにより圧力容器構造材
の中性子による損傷も低減できる。したがって、原子炉
およびそれに連なる主蒸気配管やタービン系の健全性お
よび安全性を著しく向上させ、ひいては原子炉の長寿命
化にもつながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図。

【図２】従来例を示す図。

【図３】本発明の他の実施例を示す図。

【図４】過酸化水素の光分解速度の温度依存性に関する
基礎実験の結果を示す図。

【図５】種々の（ｎ，γ）反応断面積σｔｈをもつ板材
を炉心の最外側のシュラウド壁内側に設置した場合の、
（ｎ，γ）変換効率に関する図。

【符号の説明】

１：原子炉炉心　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　２：上部プレナム３：上昇管　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　４：ミキシングプレナム ５：ダウンカマ　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　６：再循環ポンプ７：下部プレナム　　　　　　　
　　　　　　　　　　　８：炉浄化系９：給水ヒータ　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１０：復水脱
塩器１１Ａ：高圧タービン　　　　　　　　　　　　　
　１１Ｂ：低圧タービン １２：発電機　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　１３：水素酸素再結合器 １４：希ガスホールドアップ装置　　　　１５：復水器
１６：水素注入装置　　　　　　　　　　　　　　　　
１７：給水配管１８：主蒸気配管　　　　　　　　　　
　　　　　　　　１９：ジェットポンプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　給水に溶存酸素濃度低減用の水素注入
   がなされる沸騰水型原子炉において、原子炉ダウンカマ
   部での酸素−水素再結合反応を促進するため、炉心最外
   周部のシュラウド壁の内側もしくは外側に（ｎ，γ）反
   応断面積の大きな材質を配置してダウンカマ部の中性子
   をγ線に変換する様に構成したことを特徴とする沸騰水
   型原子炉。
2. 【請求項２】　　（ｎ，γ）反応断面積の大きな材質と
   して、使用済み燃料、ヨウロピウム、ガドリニウム、サ
   マリウム等の希土類元素、カドミウム、ボロン、インジ
   ウム、水銀、ハフニウム、金、リチウム、銀、コバルト
   、タンタル、タングステン、マンガン等の元素のうちの
   少なくとも１種またはこれらの元素の化合物の少くとも
   １種からなる材質を用いることを特徴とする請求項１項
   記載の沸騰水型原子炉。
3. 【請求項３】　　給水に溶存酸素濃度低減用の水素注入
   がなされる沸騰水型原子炉において、原子炉ダウンカマ
   部での過酸化水素の分解を促進するため、ダウンカマ部
   に光等の電磁波を照射する手段を備えたことを特徴とす
   る沸騰水型原子炉。
4. 【請求項４】　　ダウンカマ部に照射する光等の電磁波
   として４００ｎｍ以下の波長を持つ電磁波を用いること
   を特徴とする請求項３記載の沸騰水型原子炉。
5. 【請求項５】　　給水に溶存酸素濃度低減用の水素注入
   がなされる沸騰水型原子炉において、原子炉ダウンカマ
   部での過酸化水素の分解を促進するため、ダウンカマ部
   に過酸化水素の接触分解を起す効率の高い材質を、高い
   比表面積をもって配置したことを特徴とする沸騰水型原
   子炉。