JPH1048386A - 給水系のクロム濃度低減方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】原子力発電プラントの炉水水質を安定化させ、
プラントの信頼性向上を図るために給水ヒータチューブ
から溶出してくるクロム量を抑制する運転方法を提供す
る。 【解決手段】給水ヒータチューブから溶出してくるクロ
ム量は、復水器の真空度が上昇する時期に増加する。こ
の現象は給水中の溶存水素濃度が減少することに起因し
ており給水の溶存酸素濃度／溶存水素濃度比を管理する
ことによりクロムの溶出量を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は給水系のクロム濃度
低減方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２に沸騰水型原子力発電プラントの構
成を示す。原子炉１内に装荷した燃料の燃焼によって発
生する蒸気は、主蒸気配管２を通って高圧タービン３お
よび低圧タービン４に導かれ仕事を行う。この際、原子
炉内の核分裂反応により生成する中性子により冷却水が
分解されて生成する酸素および水素ガスも主蒸気ととも
に復水器に移行する。仕事が終わった蒸気は復水器５で
凝縮され、復水配管６を通り復水ポンプ７，復水ろ過装
置８，復水脱塩器９および復水昇圧ポンプ１０を経由し
て給水系に導かれる。一方、主蒸気中の酸素ガスおよび
水素ガスは、復水器より抽出され、再び廃棄物処理系で
水に戻される。

【０００３】給水系では、給水配管１１および給水ポン
プ１２を通り、給水ヒータ１３で昇温した後、再び原子
炉に戻る。この際、給水ヒータを連結している炭素鋼の
腐食を抑制するため復水脱塩器入口から酸素ガスボンベ
２２から酸素ガスを連続注入し炭素鋼配管内面の酸化被
膜を維持しながら運転している。一方、炉水は再循環ポ
ンプ１４および再循環配管１５で構成される２系列の再
循環系を循環する。また、炉水の一部は、原子炉浄化系
ポンプ１６および原子炉再循環系配管１７を通って原子
炉浄化設備１８に導かれ浄化される。その後、給水系配
管１１に合流して原子炉に戻る。その間、原子炉浄化設
備ろ過脱塩装置１８は粉末イオン交換樹脂を使用してい
ることにより、炉水を約５０℃に冷却する必要性から原
子炉浄化系熱交換器１９で冷却している。また、給水か
ら流入した不純物は、原子炉内で沸騰濃縮され、その一
部が原子炉浄化系のろ過脱塩装置で除去されることによ
り、炉水が清浄に保たれる。

【０００４】一方、沸騰水型原子力発電プラントの炉水
不純物の中で最も高濃度で存在しかつ水質変化、特に導
電率変化およびｐＨ変化に最も影響を及ぼす元素はクロ
ムである。これは、沸騰水型原子力発電プラントの給水
および炉水環境は、溶存酸素濃度が多い酸化性環境であ
るため材料から溶出するクロムはクロム酸(ＣrＯ₄ ^2-)イ
オンとして存在する。

【０００５】

【化１】 Ｃｒ＋４Ｈ₂Ｏ → ＣｒＯ₄ ^2- ＋８Ｈ⁺ ＋６ｅ^- …（化１） クロム酸イオンは、他の金属不純物より溶解度が大き
く、炉内および燃料棒表面で酸化物をほとんど形成しな
いため、給水系から流入したクロムは原子炉浄化系のろ
過脱塩装置で除去される以外は炉水中に残る。炉水中に
濃縮したクロム酸は、化１に示したように冷却水の水素
を解離し、水素イオン濃度Ｈ⁺ を増加させる。水素イオ
ン濃度の増加に伴い炉水導電率が上昇し、かつｐＨが低
下する。

【０００６】炉水ｐＨの低下は放射性物質を含む燃料棒
表面に付着しているクラッドの溶解を増加させ、炉内配
管へ移行する放射性物質の量を多くし、プラントの点検
等で働く作業者の受ける線量を低く維持することを難し
くする。

【０００７】したがって、給水ヒータチューブからのク
ロムの溶出量をできるだけ低くして運転することが望ま
しい。前記考え方に基づき、特開平5−288893 号公報に
示すように、給水中の溶存酸素濃度を炭素鋼配管の腐食
が抑制可能な下限濃度約２０ppb で運転する方法が提案
されている。

【０００８】一方では、冷却水中の酸化性を緩和するた
めに溶存水素濃度を高めることも一つの方法である。こ
の方法は、炉内構造材の腐食環境を緩和することを目的
とし給水系から水素を注入する方法が提案され実行され
てきている。この方法は特公昭63−19838 号公報に示さ
れるように炉水中の溶存酸素と再結合させ炉水中の溶存
酸素濃度を１０〜５０ppb 以下に低減するため行ってい
るので、給水濃度換算として約１.７Ｎcm³／kg（約１５
０ppb ）以上注入する方法である。さらに、炉内構造材
の腐食緩和を目的とした水素注入運転は、現状経済性の
観点から腐食緩和が優先して必要とされるプラントに限
られる。したがって、必ずしも全てのプラントで水素注
入運転が連続で行われていない。

【０００９】したがって、炉水への水素注入を行ってい
ないプラントにおける給水クロム濃度を低減するため溶
存水素濃度コントロールする技術は新規性を持つ。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】給水ヒータチューブか
らのクロムが溶出するメカニズムを以下に示す。沸騰水
型原子力発電プラントの給水ヒータチューブは、ステン
レス鋼が採用されており、ステンレス鋼には構成元素と
して鉄と共にクロムが１８〜２０％，Ｎｉが８〜１０％
含まれている。給水ヒータチューブの表面温度は定常運
転中は約５０〜２１０℃の範囲に分布し、温度が高いほ
どステンレス鋼の腐食が大きく、腐食が大きいほど材料
構成元素の溶解が大きい。さらに、溶出したステンレス
鋼の構成元素は冷却水中の溶存酸素を取り込んで酸化物
となりヒータチューブ内表面に付着し、防食被膜を形成
する。この防食被膜は、クロム酸化物Ｃｒ₂Ｏ₃を多く含
む内層と鉄およびＮｉを多く含む外層とが存在する。ク
ロム酸化物を多く含む内層は、給水中の溶存酸素濃度が
高くなり酸化環境に変化すると下式に示す反応が右側に
進みクロム酸となって溶解する。

【００１１】

【化２】 ＣｒＯ₃＋Ｈ₂Ｏ → ＣｒＯ₄ ^2- ＋２Ｈ⁺ …（化２） 一方、鉄およびニッケルの酸化物は酸化性環境増加に伴
いさらに高次の酸化物となって溶解する反応は起きな
い。したがって、溶存酸素濃度の増加等により材料から
の溶出量が増加するのは、クロムのみである。

【００１２】このように、給水中クロム濃度は冷却水中
の酸化性が強くなることにより生じると考えられ、給水
中の溶存酸素濃度の変化が影響している可能性が想定さ
れる。しかし、実際には給水の溶存酸素濃度を約２０pp
b の一定濃度で運転しているにもかかわらず、給水中の
クロム酸濃度が増加する現象が見られる。

【００１３】本発明は、給水溶存酸素濃度変化がないプ
ラントにおける給水クロム濃度変動抑制技術に関する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、給水溶存
酸素濃度に変化がないにもかかわらず、給水クロム濃度
変動要因について検討した。具体的には、上述したよう
にクロムの溶出を給水中の酸化還元環境が酸化性に変化
した結果と考えた。溶存する不純物が極めて少ない沸騰
水型原子力発電プラントの冷却水中の酸化還元環境変化
は、主に溶存酸素と溶存水素のバランスで決まる。

【００１５】したがって、現状測定および確認されてい
ない減少は化学種は溶存水素濃度である。また、給水中
のクロム濃度の変化は秋期から冬季にかけて増加し、春
期から夏期にかけて低下する現象として現われる。給水
クロム濃度変化を季節変動要因と結び付けて考えると、
海水を冷却水として用いているために起こる海水の季節
変動に追従した復水器の真空度の変化と対応している可
能性が想定される。復水器の真空度は、一般に冷却効率
が高くなる秋期から冬季にかけて高くなり、冷却効率が
小さくなる春期から夏期にかけて低下する。また、炉内
の冷却水は放射線分解を受け酸素ガスと水素ガスとな
り、蒸気とともに復水器に移行する。復水器中の凝縮水
に溶解するガスの溶解量はヘンリーの法則に従うものと
考えると、主蒸気中に含まれる酸素および水素の復水へ
の溶解量が季節変動する。一方、復水器真空度の変化に
伴う溶存ガス濃度変化は、水素濃度ばかりではなく酸素
にも影響するが、酸素注入点上流に位置する給水の溶存
酸素濃度は酸素ガスの注入量で決まるため季節変動しな
い。

【００１６】この状況から本発明者らは、給水のクロム
濃度の季節変動が現状コントロールされていない溶存水
素濃度の変化により生じていると考えた。また、給水の
溶存水素濃度を適切にコントロールすることにより給水
クロム濃度を低く維持できると考えた。

【００１７】復水中の溶存水素濃度を水に対する水素ガ
スおよび酸素ガスの飽和溶解度の比率(溶存水素濃度：
溶存酸素濃度＝１.４７）で溶解するものと仮定して溶
存水素濃度を設定した。化学便覧（日本化学会編）より
水素ガスおよび酸素ガスの復水温度３０℃の飽和溶解度
データを引用すると、水素ガス溶解度：溶存ガス溶解度
＝0.000147ｇ／水−１００ｇ：0.00162ｇ／水−１００
ｇ となる。また、復水器真空度の変化に伴う溶存水素
濃度変化はヘンリーの法則に従うものとして真空度の逆
数に比例すると考えた。

【００１８】上記条件に基づき、クロム酸化物ＣｒＯ₃
からの溶解挙動を実験質的に測定した。

【００１９】測定結果を溶存酸素濃度と溶存水素濃度比
と給水クロム濃度の関係で整理すると図１に示すように
溶存酸素濃度と溶存水素濃度比が一定値以下に維持され
ている場合に給水のクロム濃度を低濃度に維持できる可
能性を確認した。さらに、給水クロム濃度を低く維持す
るための溶存酸素濃度と溶存水素濃度比の下限値は、給
水系に注入する酸素量により変化するため、プラント毎
にあらかじめ確認する必要がある。

【００２０】本発明を炉内構造材の腐食環境緩和を目的
とした水素注入運転を行っていないプラントに適用する
ことにより、給水ヒータチューブから溶出するクロム量
を低く維持することができ、炉水の水質変化を少なくし
プラントの線量率を低く維持する等安定運転に寄与でき
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を以下に示す。

【００２２】第１の実施例を図３に示す。初めに、給水
の溶存酸素濃度および溶存水素濃度を給水系サンプリン
グ系に設けた溶存酸素計２４および溶存水素計２５で測
定する。測定結果に基づきあらかじめ設定した給水の溶
存酸素／溶存水素濃度比の目標濃度に見合う水素ガスを
復水系に設けた水素ガスボンベ２３から注入する。

【００２３】この操作を繰り返すことにより、給水中の
溶存酸素／溶存水素濃度比の目標値に設定する。さら
に、給水サンプリング系２０から給水をサンプリングし
給水中のクロム濃度を分析し、給水中のクロム濃度が十
分低濃度に維持されていることを確認することにより、
給水中の溶存酸素／溶存水素濃度比の目標値が妥当であ
ることを確認する。

【００２４】第２の実施例は、図４に示すように復水の
真空度の信号を圧力計２７から溶存水素濃度制御装置２
６に導き、復水器の真空度の逆数に比例するように水素
ガス流量調節弁を作動させる。この運転により給水中の
溶存酸素／溶存水素濃度比の目標値を自動的に変化させ
ることが可能となり、省力化が図れる。

【００２５】第３の実施例は、図５に示すように給水サ
ンプリング系の溶存酸素計２４および溶存水素計２５の
信号を溶存水素濃度制御装置２６に導き、あらかじめ設
定した給水中の溶存酸素／溶存水素濃度比の目標値に一
致するよう制御する。この運転により給水中の溶存酸素
／溶存水素濃度比の目標値を自動的に変化させることが
可能となり、省力化が図れる。

【００２６】

【発明の効果】本発明に示した方法を適用することによ
り、給水ヒータチューブから溶出するクロム量を低く維
持することができ、炉水の水質変化を少なくするととも
にプラントの線量率を低く維持する等安定運転に寄与で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】溶存酸素／溶存水素濃度比とクロム溶出濃度の
特性図。

【図２】沸騰水型原子力発電プラントの系統図。

【図３】本発明の第１の実施例を示す系統図。

【図４】本発明の第２の実施例を示す系統図。

【図５】本発明の第３の実施例を示す系統図。

【符号の説明】

１…原子炉、８…復水ろ過装置、９…復水脱塩装置、１
８…原子炉浄化系ろ過脱塩装置、２０…給水サンプリン
グ系、２２…酸素ガスボンベ、２３…水素ガスボンベ、
２６…溶存水素濃度制御装置、２７…復水器圧力計。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】沸騰水型原子力発電プラントの原子炉給水
   系のクロム濃度を低減するために、炉内腐食緩和のため
   水素注入運転を行わないプラントの冷却水中の溶存水素
   濃度を溶存酸素濃度および溶存水素濃度比を指標として
   制御することを特徴とする給水系のクロム濃度低減方
   法。
2. 【請求項２】沸騰水型原子力発電プラントの原子炉給水
   系のクロム濃度コントロール方法において、給水系の溶
   存水素重量濃度を復水器の真空度の逆数に比例させて制
   御することを特徴とするプラント給水系のクロム濃度低
   減方法。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記給水系の
   溶存水素濃度の制御は水素ガスを復水器出口から給水系
   入口の配管の間に注入することにより行う給水系のクロ
   ム濃度低減方法。