JPH0833489B2

JPH0833489B2 - 沸騰水型原子炉水素注入装置

Info

Publication number: JPH0833489B2
Application number: JP61298765A
Authority: JP
Inventors: 純一高木; 光司久保
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-12-17
Filing date: 1986-12-17
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPS63151900A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は水素注入運転を行う沸騰水型原子炉（以下BW
Rと呼ぶ）の水素注入装置に係る。

（従来の技術）原子力プラントの原子炉冷却材は高温高圧水の状態に
あり、プラント構造材料は極めて厳しい環境条件下にあ
る。上記のような条件にある時、材料の腐食挙動が重要
な問題となり、特にBWRプラントにおいてはオーステナ
イト系ステンレス鋼配管の応力腐食割れ（Stress Corro
sion Cracking、以下SCCと呼ぶ）が内外の大きな関心の
的となつている。

このSCCと云う現象は３つの要因、すなわち材料、応
力、環境の３因子が重畳した時に発生するものと一般に
考えられている。新設するBWR原子力プラントにおいて
は、前記３因子につき十分な考慮を払い応力腐食割れに
対して備えなければならない。

ところが、既設の原子力プラントにおいては材料、応
力の面からの対策を施すことは困難であるため、環境面
から対策を施すことが試みられている。環境側のSCC発
生要因としては、原子炉水中の溶存酸素濃度が最大のも
のとなっている。BWRプラントでは、一次系冷却水を中
性純水に保つよう厳重な化学管理を施しており、溶存酸
素濃度も給水中で数10ppbにコントロールされている。

ところが、炉心においては水の放射線分解により酸素
が発生するため、炉水に200〜300ppb程度の酸素が溶存
することは避けられない。原子炉温度（285℃）におい
ては、200ppb前後の溶存酸素はSCCに対して十分に有意
なレベルであり、プラント運転上溶存酸素濃度の管理は
重要である。

前記のSCCの対策として、原子炉への水素注入技術が
開発され、一部のプラントで実用化されつつある。この
技術は給水中に小量の水素を注入して溶存させておき、
これにより酸素、過酸化水素等の酸化性の化学種の発生
を抑制しようとするものである。水素注入により炉水を
適度の還元性雰囲気とした場合、放射線存在下では放射
線化学的に酸素、過酸化水素と、水素との水への再結合
反応が促進される。

既設プラント（米国ドレスデン２号炉）における水素
注入技術の例を第４図につき説明する。

この図は水素注入を行う一次系の系統図であり、炉心
１で発生した蒸気はタービン２において仕事をした後、
復水器３に導かれここで冷却凝縮されて復水する。この
復水はポンプ４、復水浄化系５を経由して、高圧復水ポ
ンプ６、給水加熱器７、給水ポンプ８により昇温、加圧
されて原子炉圧力容器９に注入される。なお、図中10は
原子炉再循環ポンプであり、原子炉圧力容器９内の炉水
を強制的に再循環させ、炉心流量を増加させるものであ
る。上記構成の一次系において、水素注入は復水浄化系
５の下流で高圧復水ポンプの上流にある注入点11からな
されている。例示した既設プラント以外のものにおいて
も、前記した注入点から注入されている例が多い。

第５図は、ドレスデン３号、ピーチボトム 3号、ピ
ルグリム、フイツツパトリツク等の米国既設プラントに
おける水素注入試験の結果を示す線図であり、縦軸は再
循環系で採取したサンプル炉水中の溶存酸素濃度（pp
b）、横軸は給水溶存水素濃度（ppm）を示している。

この図から、プラントによつて酸素濃度低減効果に違
いはあるものの、給水中の水素濃度を高くしていけば、
炉水中の溶存酸素濃度が低下していくことがわかる。

上記から明らかなように、水素注入により炉水中の溶
存酸素濃度を低下させられることは、実機においても立
証されており、環境面からのSCC対策として有効であ
る。

（発明が解決しようとする問題点） BWRプラントの水素注入は給水系からなされるが、過
剰の水素注入があつた場合炉水は過度の還元性雰囲気と
なる。すると、炉水中に存在する放射性同位体の一つで
あるＮ−16が揮発性の形態をとり、主蒸気系への移行割
合が増大するという現象が生じる。

上記のＮ−16は冷却材（H₂O）中のＯ−16の炉心にお
ける（n,p）反応により生成される。而して、その半減
期は７秒である。上記反応は下記の通りである。₈ ¹⁶ O＋ｎ→₇ ¹⁶N＋ｐ通常のBWRの炉水条件では、上記のＮ−16は主に硝酸
イオン（NO₃ ^-）、または亜硝酸イオン（NO₂ ^-）の形態を
とつている。しかしながら、過度の還元性雰囲気の炉水
環境となつている過剰水素注入条件下においては、Ｎ−
16はアンモニア（NH₃）の化学形態をとるものと考えら
れる。このアンモニアは、前記の硝酸イオン、亜硝酸イ
オンよりも揮発性が高く、水素注入条件下では蒸気相に
おけるＮ−16の割合が極めて大きくなる。その結果、主
蒸気管の放射能レベルも増大することとなる。第６図は
その様子を示す。この図において、縦軸は通常運転時を
１とした時の主蒸気管放射線量率の相対値、横軸は給水
中の溶存水素濃度（ppm）を示しており、この図から1pp
m以上の水素注入を行った場合に、主蒸気管の放射線量
率は通常運転時の４〜５倍に上昇することがわかる。

主蒸気管の放射線量率が上昇することは、タービン系
全体の放射線レベルが上昇することを意味しており、従
業員の被曝量増大につながる。また、サイト敷地境界等
におけるＮ−16スカイシヤイン線量率の評価も増加する
ことが予想される。この対策としては、タービン系の遮
蔽を強化すればよいが、線量率を1/4〜1/5にするには相
当量の遮蔽を施さなければならず、建屋強度の点からも
実現はかなり困難である。また、線量率が上昇した区域
については巡視、点検の方法を改善したり、それ等の回
数を削減したりして、従業員の被曝量を増加させないよ
うにすることができるが、これ等の対策には限界があ
り、従業員の或る程度の被曝量増加は避けられない。

上記のように、水素注入により炉内の溶存酸素濃度の
低下を図ることはできるが、副次的な作用としてタービ
ン系のＮ−16による放射線量率の上昇があり、プラント
運転上の障害となる。

本発明は上記の事情に基づきなされたもので、炉水へ
の水素注入による炉水中の酸素濃度低減の効果を保持し
たまま、過度の水素注入による前記した諸問題を引き起
すおそれのないBWR水素注入装置を提供する。

（問題点を解決するための手段）本発明のBWR水素注入装置は、沸騰水型原子炉の一次
冷却系に水素を注入する水素注入機構と、前記水素の注
入により炉水内に生じ得る窒素放射性同位元素の不揮発
性化を図ることができるアルコール、アルデヒドおよび
カルボン酸から選ばれた少なくとも１種を、水素とは別
個に圧力容器内に注入する薬剤注入機構とを有すること
を特徴とする。

（作用）上記構成の本発明BWR水素注入装置においては、注入
された水素および薬剤は給水系内では反応しないが、圧
力容器内に注入された後、放射線の存在によつて反応が
進行する。そして、水素はダウンカマー部において再結
合反応を起して溶存酸素濃度を低下させ、一方前記薬剤
はその約７割がジエツトポンプによつて直接炉心に供給
されるので、炉心部でのＮ−16の化学形態をより酸化性
（不揮発性）に変化させる。

（実施例）第４図と同一部分には同一符号を付した第１図は、本
発明一実施例の水素注入装置を組み込んだBWRの一次系
系統図である。この図において、第４図に示した従来の
プラントにおける注入点11と同様の注入点11に、水素注
入機構12の吐出口が連通されている。また、注入点11と
高圧復水ポンプ６との間の注入点13に、薬剤注入機構14
の吐出口が連通されている。前記両機構は水素注入装置
15を構成する。

水素注入機構12は水素の注入を第４図に示した例と同
様に注入する。また、薬剤注入機構14はOHラジカルを捕
捉するような化合物を注入する。OHラジカル捕捉剤とし
ては、アルコール等の有機物質を使用する。

注入された水素および薬剤は給水系内では反応しない
が、圧力容器内に注入された後、放射線の存在によつて
反応が進行する。そして、水素はダウンカマー部におい
て再結合反応を起して溶存酸素濃度を低下させ、一方前
記薬剤はその約７割がジエツトポンプによつて直接炉心
に供給されるので、炉心部でのＮ−16の化学形態をより
酸化性（不揮発性）に変化させる。

以下、炉心におけるＮ−16の挙動およびアルコール等
の有機物質によりOHラジカルが捕捉される現象につき説
明する。

前に水素注入の問題点として、タービン系のＮ−16線
量率が上昇することを指摘した。これはＮ−16が炉内で
どのような化学形態をとるかによるものである。すなわ
ち、窒素の化学形態は系が酸化性であれば、不揮発性の
陰イオン（硝酸イオン、亜硝酸イオン）になる。また、
逆に還元性雰囲気であれば揮発性のアンモニアに変化し
て蒸気相へ移行する割合が増大し、タービン系の線量率
が上昇する。

ここで、水素注入時の水の放射線分解のメカニズムに
ついて考察する。原子炉冷却材である軽水（H₂O）は、
炉心において次式に示すような放射線分解反応を起す。

e^-aqは水和電子と呼ばれその挙動はＨ原子に類似して
いる。

式（１）の右辺の活性種または分子生成物は相互に二
次反応を生じ、最終的には安定な分子生成物であるH₂,O
₂,H₂O₂になる。

水素注入時には、系外から過剰のH₂が供給されること
になり、この際に最も重要な反応はH₂とOHラジカルとの
反応となる。

H₂＋OH→Ｈ＋H₂O …………………（２）式（２）の反応により生じる原子は、酸素、過酸化水
素、または酸素分子の前駆体であるHO₂ラジカルと反応
して、これ等を水分子へと還元する。

Ｈ＋O₂ ^-−→HO₂ ……………………（３）Ｈ＋HO₂ ^-→H₂O₂ …………………（４）Ｈ＋H₂O₂→OH＋H₂O ……………（５）従って、式（２）が優勢に進行すればＨ原子の生成に
より系内は還元性雰囲気が強くなる。一方、OHラジカル
が存在しなければ式（２）は進行せず、水素注入の効果
は抑制される。

そこで、OHラジカルを捕捉するような物質を添加すれ
ば、Ｈ原子の生成は抑制され、Ｎ−16の化学形態はアン
モニアの形をとりにくくなり、陰イオンになりやすくな
る。このような状況になれば、Ｎ−16の蒸気相への移行
割合が小さくなり、タービン系の放射線量率の上昇を抑
止することができる。

而して、OHラジカルの捕捉剤として、最も簡単なアル
コールであるメチルアルコールを使用した場合の反応機
構を説明する。

CH₃OH＋Ｏ−→H₂OH＋H₂O ……（６）２H₂OH−−→CH₃OH＋HCHO …（７）また、系内に酸素が存在する場合は、 H₂OH＋O₂−−−→₂CH₂OH ……（８）２₂CH₂OH−−−→2HCHO＋H₂O₂＋O₂ ……（９）ここで、式（２）と式（６）の反応速度定数を比較す
ると、25℃において式（２）が3.4×10⁷l.mol^-1・se
c^-1、式（６）が8.4×10⁸・lmol^-1・sec^-1であり、仮に
H₂とCH₃OHの濃度が等しければ、式（６）の反応の方が
優勢に進行することとなる。

すなわち、CH₃OHの添加により式（２）のＨ原子生成
反応を抑制することができ、Ｎ−16の化学形態を酸化性
の形態、換言すれば溶解性（不揮発性）の陰イオンの形
態にすることができる。

さらに、式（７）または式（９）の反応で生成するHC
HO（ホルムアルデヒド）は、再びOHラジカルと反応す
る。

HCOH＋OH−−→ＨＯ＋H₂O ……（10）ＨＯ＋O₂−−−−→・O₂CHO …………（11）そして、HCHOが酸化された形のHCOOH（蟻酸）も含む
次式以下のように反応する。

HCOOH＋OH−→・COOH＋H₂O ……（13）・ COOH＋O₂−→CO₂＋HO₂ ……（14）なお、反応速度定数は、式（10）が〜２×10⁹l・mol
^-1・sec^-1、式（13）が1.3×10⁸l・mol^-1sec^-1となつて
いる。

このように、OHラジカル捕捉剤としてアルコールを添
加すれば、式（２）の反応に対して式（６）、式（10）
または式（13）等の反応が優勢に進行し、Ｈ原子の発生
を抑止することができる。

なお、OHラジカル捕捉剤としては例示のメチルアルコ
ールのみでなく、さらに炭素数の多い化合物、例えばエ
チルアルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコー
ル等のアルコール、アセトアルデヒド等のアルデヒド、
酢酸等のカルボン酸等を使用することができる。

上記のように、第１図に示した実施例において薬剤注
入機構14から前記の化合物を注入することにより、ター
ビン系の放射線量率の上昇を生じることはない。

第１図と同一部分には同一符号を付した第２図は本発
明の第２の実施例の系統図である。この実施例において
は、薬剤注入機構14の注入点11−２は再循環系の戻りラ
インに設けられている。

第１の実施例では、水素と薬剤とを給水系から注入し
ているため、注入点11の圧力はそれ程高くはなく、各注
入機構は低圧仕様のものでよい。しかしながら、水素、
薬剤の反応には競合する面があるため、同一の系から注
入することはそれぞれの効果が相殺されるおそれがあ
る。この第２の実施例はそれを解決したものである。

すなわち、上記のように薬剤を水素とは独立に再循環
系の戻りラインに注入すれば、水素は給水系から注入さ
れているため、ダウンカマー部においては水素と酸素と
の水への再結合反応が進行し、酸素溶存濃度の低減がな
され、一方薬剤注入機構からの薬剤は再循環系のジエツ
トポンプにより直接炉心に注入されるから、前記水素の
反応と競合することなくＨ原子の生成を抑制し、効率よ
くＮ−16の形態を不揮発性とすることができる。ただ
し、この場合薬剤注入機構は高温、高圧の仕様のものが
必要である。

第１図、第２図と同一部分には同一符号を付した第３
図は本発明の第３の実施例の系統図である。

この実施例においては、薬剤注入機構14の注入点13−
２は制御棒駆動系17の冷却水ライン18に設けられてい
る。前記冷却水ライン18は、制御棒駆動系17の各駆動機
構を保護するために駆動機構に冷却水を供給するライン
であるが、供給された冷却水は各駆動機構を通過した
後、そのまま圧力容器内に流入する。従って、前記のよ
うにこのラインに薬剤を注入すれば、薬剤は炉心下部に
直接注入され、水素の反応と薬剤の反応とが競合するこ
とはなく、第２の実施例と同様の効果が得られる。ただ
し、この場合には冷却水の流量が小であるため、薬剤の
濃度を高くすることが必要である。また、注入機構は高
温、高圧仕様のものを必要とする。

［発明の効果］本発明によれば、BWRの水素注入運転に際して、過剰
な水素注入に起因するＮ−16放射能による主蒸気系線量
率の上昇割合を低減することができる。従って、運転中
の従業員の被曝量の低減、建屋内（特にタービン系）
や、サイト周辺における放射線量率の低減が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の一次系の系統図、第２
図は第２の実施例の同様の図、第３図は第３の実施例の
同様の図、第４図は従来のBWRの水素注入運転を行う場
合の同様の図、第５図はBWRにおいて水素注入運転をし
た場合の給水中水素濃度と炉水中溶存酸素濃度との関係
を示す線図、第６図は給水中水素濃度と主蒸気管放射線
量率（相対値）との関係を示す線図である。１……炉心、２……タービン、３……復水器、４……復
水ポンプ、５……復水浄化系、６……高圧復水ポンプ、
７……給水加熱器、８……給水ポンプ、９……圧力容
器、10……再循環ポンプ、11……水素注入点、12……水
素注入機構、13……薬剤注入点、14……薬剤注入機構、
15……薬剤注入装置、16……再循環系の戻りライン、17
……制御棒駆動系、18……制御棒駆動系冷却ライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】沸騰水型原子炉の一次冷却系に水素を注入
する水素注入機構と、前記水素の注入により炉水内に生
じ得る窒素放射性同位元素の不揮発性を図ることができ
るアルコール、アルデヒドおよびカルボン酸から選ばれ
た少なくとも１種を、水素とは別個に圧力容器内に注入
する薬剤注入機構とを有することを特徴とする沸騰水型
原子炉水素注入装置。