WO2014024634A1

WO2014024634A1 - 核燃料再処理プラント用機器

Info

Publication number: WO2014024634A1
Application number: PCT/JP2013/069086
Authority: WO
Inventors: 藤井　和美; 金田　潤也; 豊田　哲也; 博長瀬; 幸夫矢野倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2015-02-08
Also published as: JP2014034693A

Description

核燃料再処理プラント用機器

　本発明は、例えば、ウラン燃料再処理プラントで使用され、ステンレス鋼から構成される機器において、硝酸が接する部位の耐食性を向上させた核燃料再処理プラント用機器に関する。

　核燃料再処理プラントは、核燃料資源を有効利用し、有害な放射性物質を分離貯蔵する上で不可欠である。実用化されている再処理プラントは、使用済み燃料棒を裁断する工程、硝酸溶液による核燃料の溶解工程、硝酸溶液からウラン及びプルトニウムを抽出、分離、精製する工程からなる主要工程と、不溶残渣と各種放射性物質の混合体である硝酸系廃液を蒸発缶等で濃縮し、高レベル放射性廃棄物として処分する工程から構成される。

　再処理プラントで使用される反応容器や貯蔵容器、配管等の多くは、プロセス媒体である硝酸と接するため、耐硝酸腐食性を考慮した金属材料、例えばSUS304LやSUS310等のオーステナイト系ステンレス鋼が用いられ、鍛造加工や圧延加工によって部品を形成し、さらにこれらの部品を溶接することにより組み立てられている。

　これらの部品は加工段階で金属組織が変化し、金属中に含有する成分が偏析して結晶粒とその介在物とからなる金属組織が形成される。この変化した組織は加工前の金属組織と比較して耐食性が劣るため、腐食が進行しやすい部位となる。

　このような部位の耐食性を向上させる方法として、特許文献１には、耐食性が劣る部位の表面にレーザービームを照射して表面層を融点以上に加熱し、その後に急冷して金属組織を改善することにより、耐食性を向上させる方法が開示されている。一方、特許文献２には、材質が異なる配管を接合する部分の配管内面をアモルファス合金でめっきすることにより防食する方法が開示されている。

　特許文献１では、その金属の化学組成から得られる耐食性しか得ることができないため、再処理プラントの運転中に不測の事態が発生した場合には、想定以上の腐食が発生し、プラントの健全性を維持しにくい。

　また、特許文献２では、使用されるめっき装置の制約により、プラント建設現場でのめっき施工に制限が生じ、所定の耐食性を維持するめっき作業を実施しにくい。
　

特開平０４－２６４２９３号公報特開平０３－０５３０８７号公報

　本発明の目的は、硝酸が接する部位の耐食性を向上させた核燃料再処理プラント用機器を提供することにある。

　核燃料再処理プラント用機器は、硝酸に対して耐食性を有する金属または金属酸化物の被覆物で、硝酸に接する部位を被覆することを特徴とする。

　本発明によれば、硝酸が接する部位の耐食性を向上させた核燃料再処理プラント用機器を提供することができる。

実施例１の配管用溶接部を被覆した構成を示した図である。実施例２の容器底部を被覆した構成を示した図である。実施例３の配管接続部品を被覆した構成を示した図である。実施例４の容器内面に被覆物を形成するための装置構成を示した図である。実施例５の容器外面に被覆物を形成するための装置構成を示した図である。実施例６の配管接続部品に被覆物を形成するための装置構成を示した図である。

　以下、本発明を詳細に説明する。　

　本発明は、ウラン燃料再処理プラントで使用される機器において、硝酸溶液が接する部位を硝酸に対して耐食性を有する被覆物で被覆している。ここで、被覆物は金属、又は金属酸化物であり、金属の場合には、Zr、Nb、Ta、Hf、Ti、Rh及びPtから選ばれる少なくとも１種を含有する純金属及び合金を用いることができる。金属酸化物の場合にはAl₂O₃、ZrO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅、TiO₂、SiO₂、Rh₂O₃、PtO₂、および上記酸化物の複合酸化物を用いることができる。

　被覆される材料としては、圧延や鍛造加工により部品が形成される時、圧延や鍛造により伸びた結晶粒の長手方向に平行な面が硝酸溶液に接するような加工が施された部品の表面を被覆することが好ましい。もしくは、被覆が施される材料が単結晶材料、または対応粒界頻度が高い粒界性格制御材であることが好ましい。

　被覆物を付着させる方法として、例えば、溶射法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などが挙げられ、これらの被覆方法により、部品表面を被覆することができる。

　本発明によれば、核燃料再処理プラントで使用される反応容器や貯蔵容器、配管等に用いる金属材料において、プロセス媒体である硝酸と接する部位を硝酸に対して耐食性を有する被覆物で被覆することで、機器の耐食性を保つことができる。これにより、プラント機器の保守や運転に関わる作業者の放射能による被爆を回避することができる。

　以下、実施例を説明する。
（実施例１）
　図１は、配管外面が硝酸溶液に接するステンレス鋼配管において、硝酸に対して耐食性を有する被覆物でステンレス鋼配管と溶接部を被覆した時の構成を示した図である。高耐食性被覆物１は、SUS304Lステンレス鋼製配管２ａ、２ｂと溶接部３を覆うように被覆されている。ステンレス鋼配管は、管材製造時の圧延加工により管材の長手方向に結晶が長く伸びた金属組織を有していた。溶接部とその近傍は溶接加工の熱履歴、溶接による化学組成や金属組織の変化により、配管母材部と比較して耐食性が劣る可能性がある。

　そこで、耐食性の劣る部位を硝酸に対して耐食性を有するジルコニウムで被覆することにより、当該部位の耐食性を向上することができた。被覆物は、ジルコニウムと同様に硝酸に対して耐食性を有する、ニオブ、タンタル、ハフニウム、チタン、ロジウム、白金が同様に適用できる。本実施例では、配管外面が硝酸溶液に接する場合を示したが、配管内面を硝酸溶液が流れる場合には、配管内面の当該部位を高耐食性金属で被覆することにより、同様の耐食性を得ることができる。
（実施例２）
　図２は、硝酸溶液を貯留する容器の内面底部に、硝酸に対して耐食性を有する被覆物で被覆した時の構成図を示した図である。高耐食性被覆物１は、SUS304Lステンレス鋼製の硝酸溶液貯留容器は、容器胴体４と下鏡板５とが溶接部３で溶接される構造を有する。下鏡板は平坦な板材を弓なり曲げる加工が施されるため、曲げた方向に結晶が長く伸びた金属組織を有していた。溶接部とその近傍は溶接加工の熱履歴、溶接による化学組成や金属組織の変化により、下鏡板は曲げ加工による変形により、平坦な板材と比較して耐食性が劣る可能性がある。

　そこで、耐食性の劣る部位を硝酸に対して耐食性を有する酸化タンタルで被覆することにより、当該部位の耐食性を向上することができた。被覆物は、酸化タンタルと同様に硝酸に対して耐食性を有する、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化シリコン、酸化ロジウム、酸化白金が同様に適用できる。本実施例では、容器内面が硝酸溶液に接する場合を示したが、貯留タンクに設置される内部構造部の場合には、内部構造物外面の当該部位を高耐食性金属酸化物で被覆することにより、同様の耐食性を得ることができる。
（実施例３）
　図３は、硝酸溶液を加熱もしくは冷却するために、硝酸溶液を貯留する容器内部に熱媒体を導入するための配管の接続部品に硝酸に対して耐食性を有する被覆物で被覆した時の接続部品の構成図である。SUS304Lの単結晶材を研削加工により所定の形状寸法に作製された配管接続部品６は、容器胴体４ａ、４ｂに溶接部３で溶接される。加工部品の素材としては、SUS304L材を圧延加工した後に熱処理を施すことにより金属材料の結晶粒界における対応粒界頻度を高めた粒界性格制御材を用いることもできる。この配管溶接部品６に熱媒体を導入する配管２ａ、２ｂを接続して、容器内に熱媒体を導入する。容器内面には硝酸溶液が貯留しているため、研削加工された配管接続部品が腐食する可能性がある。そこで、当該部品で硝酸溶液に接する部位をニオブで被覆することにより、当該部位の耐食性を向上することができた。
（実施例４）
　図４は、実施例２に示した被覆物を容器内面に形成するための装置の構成を示した図である。容器内面を真空に減圧可能な封止構造を有した容器の蓋７には、容器内部を減圧する真空ポンプに接続するための排気管８、排気した後にアルゴンを導入するための導入管９、容器内面との間でプラズマ放電を起こさせるためのＲＦマグネトロンカソード電極１０が取り付けられている。容器の蓋とカソード電極は電気的に短絡しないように碍子１１で絶縁されている。また、カソード電極先端には、耐食性被覆物として付着させるためのチタンがターゲット１２として取り付けられており、被覆するためのＲＦ電源１３を介して容器と接続されている。

　次に、容器下鏡板をチタンで被覆した手順を次に示す。先ず、真空ポンプを用いて容器内を１×１０^-4Ｐａまで減圧した。その後、容器内にアルゴンを導入して、１×１０^-3Ｐａに保った後、カソード電極と容器との間に１３．５６ＭＨｚの高電圧を印加した。
高周波を印加するとカソード電極と下鏡板の間でアルゴンのイオンが発生し、このアルゴンイオンがターゲット電極であるチタンに衝突して表面とチタンがはじき飛ばされた。チタンは対向する下鏡板に付着して下鏡板を被覆した。

　本実施例に示した方法により、下鏡板内面をチタンで被覆することにより、下鏡板が硝酸溶液に対して耐食性を有するようになった。
（実施例５）
　図５は、容器外面に被覆物を形成するための装置の構成を示した図である。容器下鏡板を密閉できる容器１４には、密閉された容器内を減圧するための排気管８と被覆物の減量となる物質を導入するための、原料導入管１５が取り付けられている。下鏡板内面には、鏡板を加熱するためのヒータ１６が取り付けられており、加熱電源１７を用いて鏡板を加熱した。

　次に、容器下鏡板をアルミナで被覆した手順を次に示す。先ず、減圧ポンプを用いて容器内を減圧した後、鏡板をヒータにより３００℃に加熱した。次に原料導入管を通じて、アルミナの原料となるアルミニウム・トリ・イソプロポキシドと酸素を導入すると、加熱された鏡板はアルミナで被覆された。

　本実施例に示した方法により、下鏡板外面をアルミナで被覆することにより、下鏡板が硝酸溶液に対して耐食性を有するようになった。
（実施例６）
　図６は、配管接続部品に被覆物を形成するための装置構成を示した図である。アルゴンプラズマを発生する溶射ガン１８を用い、溶射ガン内に導入された粉末状のジルコニウムを加熱してノズル先端から噴出させた。被覆対象となる部位に噴出ノズルを向けることにより、当該部位をジルコニウムで被覆した。

　本実施例に示した方法により、配管接続部品をジルコニウムで被覆することにより、配管接続部品が硝酸溶液に対して耐食性を有するようになった。

　１：高耐食性被覆物、２：配管、３：溶接部、４：容器胴体、５：下鏡板、６：配管接続部品、７：蓋、８：排気管、９：ゴン導入管、１０：カソード電極、１１：絶縁碍子、１２：ターゲット、１３：ＲＦ電源、１４：密閉容器、１５：原料導入管、１６：ヒータ、１７：ヒータ用電源、１８：溶射ガン。

Claims

　硝酸に対して耐食性を有する金属または金属酸化物の被覆物で、硝酸に接する部位を被覆することを特徴とする核燃料再処理プラント用機器。
　請求項１において、前記被覆物として用いる金属が、Zr、Nb、Ta、Hf、Ti、Rh及びPtから選ばれる少なくとも１種以上を含有する純金属または合金であることを特徴とする核燃料再処理プラント用機器。
　請求項１において、前記被覆物として用いる金属酸化物が、Al₂O₃、ZrO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅、TiO₂、SiO₂、Rh₂O₃、PtO₂またはこれらの複合酸化物であることを特徴とする核燃料再処理プラント用機器。
　請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記硝酸に接する部位は、圧延加工又は鍛造加工で延びた金属結晶粒の長手方向に平行な、硝酸に接する面を有することを特徴とする核燃料再処理プラント用機器。
　請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記硝酸に接する部位を構成する材料が、単結晶材料であることを特徴とする核燃料再処理プラント用機器。
　請求項１ないし５のいずれかにおいて、前記硝酸に接する部位を構成する材料が、対応粒界頻度が高い粒界性格制御材であることを特徴とする核燃料再処理プラント用機器。
　請求項１ないし６のいずれかに記載の核燃料再処理プラント用機器の製造法であって、　溶射法により、硝酸に接する部位に被覆物を形成することを特徴とする核燃料再処理プラント用機器の製造方法。