JPH0444240B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は原子力プラント構成部材、例えば、一
次冷却水系配管のように放射性物質を含む冷却水
と接する構成部材への放射性物質を抑制する方法
に関する。 〔従来の技術〕 BWRプラントの一次冷却系に使用されている
配管、ポンプ、弁等はステンレス鋼及びステライ
ト等（以下構成部材と略称する）から構成されて
いる。これらの金属は長時間使用されると腐食損
傷を受け、構成金属元素が原子炉冷却水（以下冷
却水と略称する）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燃料棒に付着し、
中性子照射を受ける。その結果、⁶⁰Co、⁵⁸Co、⁵¹Cr、
⁵⁴Mn等の放射性核種が生成する。これらの放射
性核種は再溶出してイオン、あるいは、不溶性固
体成分として浮遊する。その一部は炉水浄化用の
脱塩器等で除去されるが、残りは、一次冷却系を
循環しているうちに構成部材表面に付着する。こ
のため、構成部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
ばくが問題となつている。 従つて、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を抑制する方法
が提案されている。例えば、耐食性の材料の使用
あるいは酸素を給水系内に注入して構成部材の腐
食を抑制は方法等がある。しかし、いずれの方法
を用いても給水系をはじめとし、一次冷却水系の
構成部材の腐食を十分に抑制することはできず、
一次冷却水中の放射性物質を十分に低減すること
はできないため、構成部材への放射性物質の付着
による表面線量率の増加がやはり問題として残つ
ている。 また、構成部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。除去方法に
は(1)機械的洗浄、(2)電気分解による洗浄のほか、
(3)化学的洗浄がある。しかし、(1)、(2)の方法は構
成部材表面に強く密着した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
ができない等の問題があるため、現状では(3)の方
法が広く用いられている。(3)の方法は酸溶液等の
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、一時的に線
量率を低減しても、構成部材を再び高い濃度の放
射性物質を溶解する液にさらした場合に急速に再
汚染されることである。 そこで、構成部材の表面にあらかじめ酸化皮膜
を形成し、放射性物質の付着を抑制する方法が、
特開昭55−121197号公報及び特開昭59−37498号
公報で開示された。しかし、あらかじめ形成して
おく酸化皮膜の性状により、放射性物質の付着挙
動は著しく異なつてくる。たとえば、放射性イオ
ンの挙動はあらかじめ形成しておいた酸化皮膜の
荷電状態により異なり、また、放射性物質が溶解
する液に浸漬したのちに構成部材表面に新たに形
成される酸化皮膜の成長速度も既存の皮膜の性状
により変わつてくる。従つて、構成部材を適用す
る液に最も適した方法により酸化処理を行なうこ
とが必要である。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は、酸化皮膜の炉水環境中での成
長速度が、酸化皮膜の形成条件及び表面の金属組
成に影響される点についての考慮がされておら
ず、放射能低減のための具体的な酸化処理条件、
及び、表面金属組成の適切な範囲の問題があつ
た。 本発明の目的は、放射性物質が溶解している液
と接して使用される構造材の金属表面組成が放射
能低減効果のある範囲であること及び酸化皮膜の
組成を定めることにより、原子力プラントの放射
能を低減する方法を提供することにある。 〔問題点を解決するための手段〕 上記目的は、原子力構成部材をAl含有鉄系材
料とすること、又は、鉄系材料の接水面にAl皮
膜、又は、Al含有金属皮膜を形成し、かつ、そ
の接水面を加熱水や加熱蒸気中にさらし、Alを
含む酸化皮膜を形成することにより達成される。 〔作 用〕 本発明は放射性物質を含む原子炉冷却水と接す
る構成部材への放射性物質の付着を抑制するに当
り、部材表面をAlを含んだ金属層とし、次いで
その表面層をAlを含んだ酸化物層にすることに
ある。この発明は次のような事実に基づいてい
る。 Alの酸化物はアルミナ（Al₂O₃）で代表される
ように三価の酸化物となるため、Fe基合金表面
でAlを含んだ酸化物を形成する場合もFeAl₂O₄の
ようなスピネル型酸化物となり、炉水条件下（温
度288℃、溶存酸素濃度200ppb付近）では溶解し
難く安定な酸化物となる。一方、鉄の酸化物には
二価と三価の酸化物があり、Fe₃O₄というスピネ
ル型酸化物が炉水環境で形成された場合、酸化物
自体が溶解し易いため腐食を抑制することは困難
である。 即ち、発明者らは、特定の加熱水、あるいは、
加熱蒸気条件において、Alを含む金属表面を酸
化させることにより、炉水条件下で溶解する割合
が低く、構成部材との密着性が高く、かつ、腐食
抑制効果をもつ表面が形成されることを発見し
た。 Alはアノード溶解する場合、次の反応で三価
になる。 Al→Al³⁺＋3e^- ……(1) また、この時、一価のイオンも生成されるが水
が存在する場合は、次式の反応により三価とな
る。 Al⁺＋2H₂O→Al⁺³＋H₂＋2OH^- ……(2) Alは電気化学列では非常に卑であるため水に
触れると不働態化するが、特定の条件の加熱水、
あるいは、加熱蒸気にAlが接する場合、ステン
レス鋼等のように非常に電気化学列の貴な金属表
面にAlが付着しているならば、即ち、十分な表
面積のステンレス鋼表面と電気的につながれてお
れば、Alが水との反応で酸化物を形成する際に、
Al³⁺と同様に溶出したFe²⁺も反応し、Fe²⁺を含
んだFeAl₂O₄型の微小酸化物がステンレス鋼表面
を覆う。水と金属の界面に両者の接触を妨げるこ
との酸化物は、Alが非常に卑であるために、Al
のみの酸化物（Al₂O₃）を形成する場合もある
が、FeAl₂O₄同様に卑なAlを含んでいるので金属
との密着性に優れているために、腐食抑制効果を
もつことを見い出した。 本発明は、このような知見に基づいて得られた
ものであつて、その要件は、金属構造材の放射性
物質が溶存している液と接する部分の表面に酸化
皮膜を構成する全金属中のAlの割合が１重量％
以上となるような酸化皮膜をあらかじめ形成した
ものである。酸化皮膜を構成する全金属中Alの
割合（以下、単にAl含有率という）は１重量％
以上であればよいが、Alの母材での含有率が高
すぎる場合にはAlの溶出と酸化皮膜になる割合
が一定であるため、BWR冷却水にAl³⁺イオンが
多量に含有され、Alが構造材に再付着する際に
放射性物質のイオンを含有した酸化物を形成ため
望ましくない。そのため、母材でのAl含有率は
１％以上５％以下が望ましい。 １％以上のAlを含有した酸化皮膜を予め形成
させるには、Alを含む母材ではそのまま加熱水
中で酸化させれば良いが、原子力プラントで多用
される18Cr−8Niステンレス鋼、炭素鋼、及び、
低合金鋼では加熱水中で酸化させただけではその
ような酸化皮膜は形成しにくい。このような材質
に対しては、表面にAlを多量に含んだ金属被覆
を施した後、200℃以上の加熱水、あるいは、150
℃以上の加熱蒸気中で酸化させることにより、
Al含有する密着性の良い酸化皮膜を形成するこ
とができる。Alを多量に含んだ金属被覆を施す
方法は、既に広く知られた方法、特にAlメツキ、
アルミナイジング処理、Al蒸着などを施すのが
好適である。 一方、冷却水で酸化皮膜を形成する際には、溶
存酸素量を200ppb〜500ppbとすればAlを含んだ
良好な酸化皮膜が形成される。ステンレス鋼の腐
食電位は溶存酸素濃度によつて変化し、200〜
500ppでは−500〜−300mV（SHE）となる。表面
層にAlを被覆させた場合、この電位間では、Fe
の溶出も同時に起こり、Al³⁺イオンがFeAl₂O₃を
形成し易くなり、Al³⁺イオンとして加熱水中に
溶出するのが困難となる。このため、ステンレス
鋼の表面には密着性の高いAl含有酸化物が形成
される。脱気加熱水中でも同様なFeの溶出が起
こるが腐食電流が増大しその反応速度が大きすぎ
るため、Al被覆まで破壊してしまい、安定な酸
化物を形成するに至らない。更に、溶存酸素濃度
が高すぎるとステンレス鋼ではCrの溶出が増加
し、Al自体の耐食性の増加よりも大きな効果を
もつため、安定皮膜を形成するに至らず皮膜の保
護性が失われる。従つてステンレス鋼等Alを含
まない金属にAl被覆を施した方法では、加熱水
中の溶存酸素濃度を200〜500ppbとするのが望ま
しい。 加熱蒸気中でAlを含む表面を酸化させる場合
は乾式による腐食が進行するめ、Al含んだ酸化
皮膜は150℃以上の加熱蒸気中ですみやかに形成
される。 〔実施例〕 以下、本発明の実施例について説明する。 実施例 １ 表１に示す化学組成をもつステンレス鋼の表面
に、全金属元素中に含めるAlの割合を0.5〜５重
量％にとつた非放射性の皮膜をあらかじめ形成
し、25〜1000時間流速0.5m／ｓで流動する288℃
の炉水に浸漬して、⁶⁰Coの付着速度を調べた。そ
の結果を表１及び第１図に示した。

【表】

【表】 表２及び第１図から明らかなように、⁶⁰Coの付
着速度（dΓ／dt）はあらかじめ酸化処理した時間 （前酸化処理時間、t₀）と炉水への浸せき時間t₁
の和ｔに反比例し、いずれの場合も式(3)で表わす
ことができる。 dΓ／dt＝ｋ／ｔ＝ｋ／t₀＋t₁ ……(3) なお、ｋは前酸化処理によつて形成された皮膜
の種類と放射性物質が溶解している液⁶⁰Co濃度、
温度等の条件に依存する定数である。 したがつて、一定条件下での放射性物質が溶解
している液への浸せき後の⁶⁰Co付着速度を小さく
するためには、前酸処理時間t₀を大きくとるか、
あるいはｋが小さくなる前酸化処理条件を選べば
よいことがわかる。しかし、前酸化処理時間t₀を
大きくとることは工業上の面で有利ではないの
で、本発明で酸化皮膜中のAl含有率を１％以上
となるような酸化皮膜の種類を選定することによ
つてｋを小さくし、⁶⁰Co付着速度を小さくする。 実施例 ２ 実施例１で使用したのと同様のステンレス鋼
を、種々の条件でアルミニウムメツキをした後、
表面層のAl濃度を一定とするため、拡散加熱処
理を行い、288℃の加熱水中に浸漬して酸化皮膜
を形成した。表３はメツキ浴の浸漬時間に対する
酸化皮膜量と、酸化皮膜中のAl含有率を示す。
メツキの浴の浸漬時間の増加に伴い、酸化皮膜中
のAl含有率は増加する。

〔発明の効果〕

本発明によれば放射性物質の金属からなる構造
材への付着を抑制でき、特に、原子力プラントに
使用されるステンレス鋼をはじめとする構造材に
適用して線量率の上昇を抑え、従事者の被曝を低
減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の⁶⁰Co相対付着速度
とAl量の関係図、第２図は⁶⁰Co付着量と時間の
関係図である。 ⁶⁰Co…コバルト60。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 放射性物質を含む原子炉冷却水と接触する鉄
   系材料で構成された原子力プラントの構成部材へ
   の前記放射性物質の付着を抑制するに当り、前記
   構成部材をAl含有鉄系材料又は接水面にAl皮膜
   又はAl含有金属皮膜を形成した鉄系材料で構成
   し、かつ、前記構成部材の接水面を加熱水又は加
   熱水蒸気で処理し、前記接水面にAlを酸化皮膜
   中の全金属元素量に対する元素量の１重量％以上
   含む酸化皮膜を形成すること特徴とする原子力プ
   ラントの放射能低減方法。 ２ 温度200−300℃の加熱水を用いることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の原子力プラン
   トの放射能低減方法。 ３ 温度150−1000℃の加熱水蒸気を用いること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の原子力
   プラントの放射能低減方法。 ４ Al皮膜又はAl含有金属皮膜はAlめつき皮膜、
   アルミナイジング処理皮膜又はAl蒸着皮膜であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   原子力プラントの放射能低減方法。 ５ 溶存酸素濃度200〜500ppbの加熱水を用いる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の原
   子力プラントの放射能低減方法。