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JP2016003940A - 原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法 - Google Patents

原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法 Download PDF

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JP2016003940A JP2014123917A JP2014123917A JP2016003940A JP 2016003940 A JP2016003940 A JP 2016003940A JP 2014123917 A JP2014123917 A JP 2014123917A JP 2014123917 A JP2014123917 A JP 2014123917A JP 2016003940 A JP2016003940 A JP 2016003940A
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Abstract

【課題】炉水と接触する、原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種の付着をさらに低減できる原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法を提供する。
【解決手段】クロム供給装置30の循環配管35をBWRプラントの炭素鋼製の浄化系配管20に接続する(S1)。浄化系配管20の化学除染を実施する(S2)。循環配管35に、クロム酸水溶液を注入し(S4)、酸性亜硫酸ナトリウム水溶液を注入する(S5)。クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含み、温度が90℃でpHが7である処理液が、浄化系配管20に供給され、浄化系配管20の内面にCr粒子が付着される。その後、クロム供給装置30を浄化系配管20から取り外し(S8)、原子炉を起動する(S9)。亜鉛イオンを炉水に注入し(S10)、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)が浄化系配管20の内面に形成される。
【選択図】図1

Description

本発明は、原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法に係り、特に、沸騰水型原子力プラントに適用するのに好適な原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法に関する。
原子力発電プラントとして、例えば、沸騰水型原子力発電プラント(以下、BWRプラントという)及び加圧水型原子力発電プラント(以下、PWRプラントという)が知られている。例えば、BWRプラントは、原子炉圧力容器(RPVと称する)内に炉心を内蔵した原子炉を有する。再循環ポンプ(またはインターナルポンプ)によって炉心に供給された冷却水は、炉心内に装荷された燃料集合体内の核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、一部が蒸気になる。この蒸気は、原子炉からタービンに導かれ、タービンを回転させる。タービンから排出された蒸気は、復水器で凝縮され、水になる。この水は、給水として給水配管を通して原子炉に供給される。給水は、原子炉内での放射性腐食生成物の発生を抑制するため、給水配管に設けられたろ過脱塩装置で主として金属不純物が除去される。
BWRプラント及びPWRプラント等の発電プラントでは、原子炉圧力容器などの主要な構成部材は、水と接触する表面の腐食を抑制するために、ステンレス鋼及びニッケル基合金などを用いている。また、原子炉冷却材浄化系、余熱除去系、原子炉隔離時冷却系、炉心スプレイ系、給水系及び復水系などの構成部材は、プラントの製造所要コストを低減する観点、及び給水系や復水系を流れる高温水に起因するステンレス鋼の応力腐食割れを避ける観点などから、主として炭素鋼部材が用いられる。
また、放射性腐食生成物の元となる腐食生成物は、RPV及び再循環系配管などの構造部材の炉水と接触する部分でも発生することから、主要な一次系の構成部材には腐食の少ないステンレス鋼及びニッケル基合金などの不銹鋼が使用されている。また、低合金鋼製のRPVは内面にステンレス鋼の肉盛りが施され、その低合金鋼が、RPV内に存在する冷却水である炉水と、直接、接触することを防止している。さらには、炉水の一部を原子炉浄化系のろ過脱塩装置によって浄化し、炉水中に僅かに存在する金属不純物を積極的に除去している。
しかし、上述のような腐食対策を講じても、炉水中における極僅かな金属不純物の存在は避けられないため、一部の金属不純物が、金属酸化物として、燃料集合体に含まれる燃料棒の表面に付着する。燃料棒表面に付着した金属不純物(例えば、金属元素)は、燃料棒内の核燃料から放出される中性子の照射により原子核反応を起こし、コバルト60、コバルト58、クロム51、マンガン54等の放射性核種になる。これらの放射性核種は、大部分が酸化物の形態で燃料棒表面に付着したままであるが、一部の放射性核種は、取り込まれている酸化物の溶解度に応じて炉水中にイオンとして溶出したり、クラッドと呼ばれる不溶性固体として炉水中に再放出されたりする。炉水に含まれている放射性物質は、原子炉浄化系のろ過脱塩装置によって取り除かれる。しかしながら、除去されなかった放射性物質は炉水とともに再循環系などを循環している間に、BWRプラントの構成部材の炉水と接触する表面に蓄積される。この結果、構成部材の表面に蓄積された放射性物質から放射線が放射され、定検作業時の従事者の放射線被曝の原因となる。その従業者の被曝線量は、従事者ごとに規定値を超えないように管理されている。近年この規定値が引き下げられ、各従事者の被曝線量を経済的に可能な限り低くする必要が生じている。
そこで、配管への放射性核種の付着を低減する方法、及び炉水における放射性核種の濃度を低減する方法が、種々、検討されている。例えば、BWRプラントにおいて、亜鉛などの金属イオンを炉水に注入して、炉水と接触する再循環系配管の内面に亜鉛を含む緻密な酸化皮膜を形成させることにより、酸化皮膜内へのコバルト60及びコバルト58等の放射性核種の取り込みを抑制する方法が提案されている(特開昭58−79196号公報参照)。
化学除染後において原子力プラントのステンレス鋼製の構成部材表面にフェライト皮膜としてマグネタイト皮膜を形成することによって、原子力プラントの運転後でその構成部材表面に放射性核種が付着することを抑制する方法が、特開2006−38483号公報に提案されている。この方法は、鉄(II)イオンを含むギ酸水溶液、過酸化水素及びヒドラジンを含み、pHが5.5〜9.0の範囲内に調整されて常温から100℃の範囲に加熱された皮膜形成液を、その構成部材表面に接触させ、その表面にフェライト皮膜を形成するものである。
緻密なフェライト皮膜(例えば、マグネタイト皮膜、ニッケルフェライト皮膜)を沸騰水型原子力プラントの構成部材である炭素鋼部材の表面に形成することも提案されている(例えば、特開2007−182604号公報及び特開2007−192672号公報参照)。具体的には、沸騰水型原子力プラントの停止中で、フェライト皮膜の形成において、鉄(II)イオン及び有機酸(例えば、ギ酸)を含む薬剤、鉄(II)イオンを鉄(III)イオンに酸化する酸化剤、及びpHを調整するpH調整剤を含み、pHが5.5〜9.0の範囲内に調整された皮膜形成液を用いて、炭素鋼部材の表面にフェライト皮膜を形成している。このフェライト皮膜は、炭素鋼部材の表面に冷却水が接触するのを遮断する保護膜になるので、炭素鋼部材の冷却水と接する表面の腐食が抑制される。
特開2001−91688号公報は、応力腐食割れの発生及び応力腐食割れによるき裂の進展を抑制する目的で、亜鉛クロマイト(ZnCr24)とクロム酸化物(Cr23)が混在する亜鉛とクロムの複合酸化物層を、原子力発電プラントの構造部材の炉水と接液する表面に形成している。
特開2011−242186号公報では、原子力発電プラントの構造部材の炉水と接液する表面、例えば、再循環系配管の内面にFe3-xCrxO皮膜(ただし、0<x≦0.1)を形成している。Fe3-xCrxO皮膜(ただし、0<x≦0.1)の配管内面への形成は、フェライト皮膜の形成に要する時間を短縮することができる。
特開2013−250109号公報は、酸化亜鉛ペレットを炭酸水溶液で溶解して亜鉛イオンを含む炭酸水溶液を生成する亜鉛注入装置を記載している。生成された亜鉛イオンを含む炭酸水溶液が原子炉圧力容器内の炉水に注入される。
特開昭58−79196号公報 特開2006−38483号公報 特開2007−182604号公報 特開2007−192672号公報 特開2001−91688号公報 特開2011−242186号公報 特開2013−250109号公報
特開昭58−79196号公報に記載されたように、原子炉圧力容器内に存在する炉水に亜鉛を注入することによって、亜鉛を含む炉水が再循環系配管等のステンレス鋼製配管の内面に接触することによって、炉水に含まれている放射性核種(例えば、Co―60)ステンレス鋼製の配管の内面への付着が抑制される。この結果、原子炉圧力容器に接続されたステンレス鋼製の配管の表面線量率が低下し、このステンレス鋼製配管の周囲で保守点検を行う従事者の被ばく線量が低減される。
しかしながら、炉水への亜鉛注入による、原子炉圧力容器に接続される炭素鋼製配管(例えば、原子炉浄化系及び残留熱除去系等の各配管)の内面への放射性核種の付着効果は、ステンレス鋼製配管の内面へのその効果よりも低減される。原子炉圧力容器に接続される炭素鋼製配管、すなわち、原子力発電プラントの、炉水と接触する炭素鋼製部材への放射性核種の付着をさらに抑制することが望まれる。
本発明の目的は、炉水と接触する、原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種の付着をさらに低減することができる原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法を提供することにある。
上記した目的を達成する本発明の特徴は、原子力プラントの運転が停止されているとき、原子力プラントを構成する炭素鋼部材の、炉水と接触する表面にクロムを付着させ、
原子力プラントを起動した後、炉水に亜鉛を注入して亜鉛を含む炉水を炭素鋼部材に付着したクロムに接触させ、
炭素鋼部材に付着したクロムが亜鉛、炉水に含まれるニッケル及び溶存酸素、及び炭素鋼部材に含まれる鉄と反応して生成される(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を炭素鋼部材の表面に形成することにある。
炭素鋼部材の炉水と接触する表面に(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を形成するため、放射性核種がその表面に付着することを抑制することができる。
好ましくは、原子力プラントの炭素鋼部材の炉水と接触する表面のFeに対してCrを22%以上付着させて、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)をその表面に形成することが望ましい。これによって、炭素鋼部材の、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を形成した部分への放射性核種の付着を著しく低減することができる。
本発明によれば、炉水と接触する、原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種の付着をさらに低減することができる。
本発明の好適な一実施例である実施例1の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法の手順を示すフローチャートである。 図1に示す原子力原子力プラントにおける炭素鋼部材へのフェライト皮膜形成方法を実施する際に用いられるクロム供給装置を沸騰水型原子力発電プラントの原子炉浄化系の浄化系配管に接続した状態を示す説明図である。 図2に示すクロム供給装置の詳細構成図である。 炭素鋼部材の腐食量と炭素鋼部材への放射性核種付着量の関係を示す説明図である。 クロムを表面に付着していない炭素鋼製試験片及びクロムを表面に付着している炭素鋼製試験片のそれぞれへの放射性コバルトの付着量を示す説明図である。 各炭素鋼製試験片のラマン分光の測定結果を示す説明図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例2の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法において、クロム供給装置を沸騰水型原子力発電プラントの残留熱除去系の残留熱除去系配管に接続した状態を示す説明図である。 本発明の他の好適な実施例である実施例4の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の他の好適な実施例である実施例5の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法に用いられるクロム供給装置の詳細構成図である。
原子力発電プラントを対象にした亜鉛を炉水に注入する放射性核種付着抑制方法では、ステンレス鋼製の構造部材の炉水と接触する表面に亜鉛を含む酸化皮膜を形成することによってその構造部材の腐食を抑制し、その構造部材への放射性核種の付着を抑制している。しかしながら、炉水への亜鉛注入による構造部材への放射性核種の付着抑制効果は、前述したように、ステンレス鋼製の構造部材よりも、炭素鋼製の構造部材(以下、炭素鋼部材という)で低下する。
そこで、発明者らは、炭素鋼部材の水の接する表面への放射性核種の付着を抑制するために種々の検討を行った。この検討結果を以下に説明する。
まず、原子力発電プラントの運転時における炉水環境での炭素鋼部材の腐食について調べた。原子力発電プラントの運転時の炉水を模擬した、約280℃でCo−60を含む純水をビーカー内に入れ、この純水中に3個の炭素鋼製の試験片を浸漬させた。各試験片の浸漬時間は異なっている。それぞれの浸漬時間が経過した後、各炭素鋼製試験片をその純水から取り出し、それぞれの炭素鋼製試験片の表面に形成された酸化皮膜の量及びその表面に付着したCo−60の量を測定した。浸漬時間が長いほど、表面に形成された酸化皮膜の量が多くなり、酸化皮膜の量が多くなるほど、炭素鋼試験片への放射性核種(Co−60)の付着量が増加した(図4参照)。この結果に基づいて、発明者らは、原子力発電プラントの炭素鋼部材の腐食量を抑制すれば、炭素鋼部材への放射性核種の付着量も低減できると考えた。
次に、発明者らは、上記の検討結果を踏まえ、原子力発電プラントの運転条件における、原子力発電プラントの炭素鋼部材の腐食を抑制する対策を検討した。
Crイオンを含む水溶液(例えば、クロム酸水溶液)、例えば、クロム酸水溶液をビーカー内に入れ、炭素鋼製試験片をビーカー内のクロム酸水溶液に浸漬させて炭素鋼製試験片の表面にクロム酸水溶液を接触させた。ビーカー内のクロム酸水溶液は、クロムを50ppm含んでおり、そのクロム酸水溶液のpHは2〜4の範囲内にある。クロム酸水溶液は、60℃〜100℃の範囲内の、例えば、90℃に加熱される。また、還元剤である酸性亜硫酸ナトリウム(NaHSO3)の水溶液をビーカー内のクロム酸水溶液に添加し、酸性亜硫酸ナトリウムを含むクロム酸水溶液のpHを、5〜8の範囲内の7にした。炭素鋼製試験片はそのクロム酸水溶液に2時間浸漬され、Crを含む粒子が炭素鋼製試験片の表面に付着された(またはCr皮膜が炭素鋼製試験片の表面に形成された)。なお、炭素鋼製試験片の表面に接触されるCrイオンを含む水溶液は、pHが2〜4の範囲内にあり、温度が60℃〜100℃の範囲内にあった。
発明者らは、原子力発電プラントの運転時において、Crを含む粒子が表面に付着された炭素鋼製試験片の表面に、どのような皮膜が形成されるのかを確認する実験を行った。この実験には、ステンレス鋼製配管、このステンレス鋼製配管に設けられたポンプ、そのステンレス鋼製配管の両端部が接続された容器及びこの容器に設けられたヒーターを有する実験装置が用いられた。原子力発電プラントの原子炉圧力容器内の炉水を模擬した純水が、容器及びステンレス鋼製配管内に充填されている。原子力発電プラントの運転時における亜鉛を注入した炉水を模擬するように、その純水は、5ppbの亜鉛を含んでおり、ヒーターにより加熱されて温度が約280℃になっている。亜鉛を5ppb含んで約280℃の温度の純水が、ポンプの駆動によって、上記のステンレス鋼製配管及び容器により形成される閉ループ内を循環している。原子力発電プラントの炭素鋼製の構造部材を模擬した、Crを含む粒子が表面に付着された炭素鋼製試験片が、ステンレス鋼製配管内に設置される。このステンレス鋼製配管内を流れる、亜鉛を5ppb含んで約280℃の温度の純水が、ステンレス鋼製配管内に設置されたその炭素鋼製試験片の表面に接触する。
この炭素鋼製試験片を亜鉛が含まれるその純水に接触させることは、原子力発電プラントの運転時において、亜鉛が注入された約280℃の炉水が原子力発電プラントの炭素鋼部材の表面(例えば、炭素鋼製配管の内面)に接触する状態を模擬している。この結果、炭素鋼製試験片の表面に、その表面に付着されたCrを含む粒子(またはCr皮膜)中のCr、純水に含まれるZn及びNi、及び炭素鋼に含まれるFeが反応して不動態皮膜が形成された。また、発明者らは、この不動態皮膜の形成によって、炭素鋼製試験片の腐食が抑制されることを確認した。
なお、そのNiは、ステンレス鋼製配管の母材からこのステンレス鋼製配管内を流れる純水中に溶出する。原子力発電プラントにおいても、原子炉圧力容器に接続されて内部に炉水が流れるステンレス鋼製配管が存在し、原子力発電プラントの運転時において、ステンレス鋼製配管の母材に含まれるNiが、少ない量ではあるが、ステンレス鋼製配管の内面に接触して流れる炉水中に溶出している。
発明者らは、さらに、Crを含む粒子を表面に付着させた炭素鋼製試験片を用いて、放射性核種であるCo―60のこの炭素鋼製試験片の表面への付着を確認する実験を行った。この実験は、上記の実験装置を用い、さらに、3つの炭素鋼製試験片を用いて行われた。第1の炭素鋼製試験片は、表面にCrを含む粒子を付着していなく、亜鉛を含む純水にも浸漬していない炭素鋼製試験片である。この炭素鋼製試験片を未処理試験片という。第2の炭素鋼試験片は、炭素鋼製試験片の表面のFeに対してCrを22%未満の割合で付着させ、亜鉛を含む純水に浸漬させた炭素鋼製試験片である。第3の炭素鋼試験片は、炭素鋼製試験片の表面のFeに対してCrを22%以上の割合で付着させ、亜鉛を含む純水に浸漬させた炭素鋼製試験片である。これらの3つの炭素鋼製試験片を、上記の実験装置のステンレス鋼製配管内に配置し、ステンレス鋼製配管内を流れて、放射性核種であるCo−60を含んでいる約280℃の純水に接触させた。所定時間経過後に各炭素鋼製試験片をそのステンレス鋼製配管から取り出してそれぞれの炭素鋼試験片へのCo−60の付着量を求めた。
この試験によって、各炭素鋼製試験片に対して図5に示す結果が得られた。Crを含む粒子を表面に付着している第2および第3の各炭素鋼試験片は、Crを含む粒子を表面に付着していない第1の炭素鋼試験片に比べて、Co―60付着量が大幅に低減された。さらに、Crを含む粒子を炭素鋼製試験片の表面に存在するFeに対してCrを22%以上の割合で付着させた第3の炭素鋼製試験片は、Crを含む粒子を炭素鋼製試験片の表面のFeに対してCrを22%未満の割合で付着させた第2の炭素鋼製試験片よりもCo―60付着量がさらに大幅に低減された。
第3の炭素鋼製試験片が第2の炭素鋼製試験片よりもCo―60付着量が低減される理由を確認するために、発明者らは、これらの2つの炭素鋼製試験片の各表面をラマン分光によって分析した。この分析結果を図6に示す。表面のFeに対してCrを22%未満の割合で付着させ、亜鉛を含む純水に浸漬させた第2の炭素鋼製試験片には、NiFeのピークが存在するため、表面に主にNiFeの皮膜が形成されている。これに対して、表面のFeに対してCrを22%以上の割合で付着させ、亜鉛を含む純水に浸漬させた第3の炭素鋼製試験片には、主にZnCr及びNiFeの2層の皮膜、すなわち、前述の不動態皮膜である(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜が形成される。ここで、xは0<x<1を満たし、yは0<y<2を満たしている。この結果、表面のFeに対してCrを22%以上付着させることによって、第3の炭素鋼製試験片では皮膜表面にZnCrが主に形成されるため、Co―60付着量が抑制されると、発明者らは考えた。なお、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4に含まれる酸素は、亜鉛を含む約280℃の純水中の溶存酸素である。(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4は、亜鉛、ニッケル及びクロムを含む鉄酸化物である。(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4において、Fe1-xZnxはFeの一部であるxがZnに置き換わったことを表し、Ni1-xZnxはNiの一部であるxがZnに置き換わったことを表し、Cr2-yFeyはCrの一部であるyがFeに置き換わったことを表している。
そのCrを含む粒子の炭素鋼部材への付着方法としては、蒸着及びスパッタリングによってCrをコーティングすることが知られている。しかし、原子力発電プラントの運転によって原子力発電プラントの機器及び配管の炉水と接触する表面には、腐食により生成した酸化皮膜が形成されているため、炭素鋼部材に対して化学除染を実施した後で、この炭素鋼部材の表面に、表面のFeに対してCrを22%以上の割合で付着させることが望ましい。Crを含む粒子の炭素鋼部材への付着は、具体的には、化学除染工程が終了した段階から原子力発電プラントの起動までの間に行うとよい。
化学除染とは、原子力発電プラントの炭素鋼部材の炉水と接触する表面に形成された放射性核種を含む酸化皮膜を化学除染液(例えば、シュウ酸水溶液)で溶解して除去する方法である。したがって、化学除染によってその炭素鋼部材の表面が露出した状態で、この表面に前述したCrを含む粒子を付着させるとよい。
以上の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
本発明の好適な一実施例である原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法を、図1、図2及び図3を用いて説明する。本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法は、沸騰水型原子力発電プラント(以下、BWRプラントいう)の原子炉浄化系の浄化系配管に適用される。
原子力発電プラントであるBWRプラントは、原子炉1、タービン3、復水器4、再循環系、原子炉浄化系及び給水系等を備えている。原子炉1は、炉心13を内蔵する原子炉圧力容器(以下、RPVという)12を有し、RPV12内にジェットポンプ14を設置している。炉心13には多数の燃料集合体(図示せず)が装荷されている。燃料集合体は、核燃料物質で製造された複数の燃料ペレットが充填された複数の燃料棒を含んでいる。炉心13は、原子炉圧力容器12内に配置された円筒状のステンレス鋼製の炉心シュラウド(図示せず)によって取り囲まれている。再循環系は、ステンレス鋼製の再循環系配管22、及び再循環系配管22に設置された再循環ポンプ21を有している。給水系は、復水器4とRPV12を連絡する炭素鋼製の給水配管10に、復水ポンプ5、復水浄化装置(例えば、復水脱塩器)6、低圧給水加熱器7、給水ポンプ8及び高圧給水加熱器9を、復水器4からRPV12に向って、この順に設置して構成されている。原子炉浄化系は、再循環系配管22と給水配管10を連絡する炭素鋼製の浄化系配管20に、浄化系ポンプ24、再生熱交換器25、非再生熱交換器26及び炉水浄化装置27をこの順に設置している。浄化系配管20は、再循環ポンプ21の上流で再循環系配管22に接続される。原子炉1は、原子炉建屋(図示せず)内に配置された原子炉格納容器11内に設置されている。
RPV12内の冷却水(以下、炉水という)は、再循環ポンプ21で昇圧され、再循環系配管22を通ってジェットポンプ14内に噴出される。ジェットポンプ14のノズルの周囲に存在する炉水も、ジェットポンプ14内に吸引されて炉心13に供給される。炉心13に供給された炉水は、燃料棒内の核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱される。加熱された一部の炉水が蒸気になる。この蒸気は、RPV12から主蒸気配管2を通ってタービン3に導かれ、タービン3を回転させる。タービン3に連結された発電機(図示せず)が回転し、電力が発生する。タービン3から排出された蒸気は、復水器4で凝縮されて水になる。この水は、給水として、給水配管10を通りRPV12内に供給される。給水配管10を流れる給水は、復水ポンプ5で昇圧され、復水浄化装置6で不純物が除去され、給水ポンプ8でさらに昇圧される。給水は、低圧給水加熱器7及び高圧給水加熱器9で加熱されてRPV12内に導かれる。抽気配管15でタービン3から抽気された抽気蒸気が、低圧給水加熱器7及び高圧給水加熱器9にそれぞれ供給され、給水の加熱源となる。
再循環系配管22内を流れる炉水の一部は、浄化系ポンプ24の駆動によって原子炉浄化系の浄化系配管20内に流入し、再生熱交換器25及び非再生熱交換器26で冷却された後、炉水浄化装置27で浄化される。浄化された炉水は、再生熱交換器25で加熱されて浄化系配管20及び給水配管10を経てRPV12内に戻される。
BWRプラントは亜鉛注入装置52を有する。この亜鉛注入装置52は、注入ポンプ28及び弁51を有する注入配管29によって、浄化系配管20のうち再生熱交換器25で加熱された炉水が流れる部分に接続されている。亜鉛注入装置52は、例えば、特開2013−250109号公報の図1に示された亜鉛注入装置の構成を有する。注入ポンプ28及び弁51を有する注入配管29は、特開2013−250109号公報の図1に示された、注入ポンプ20を有する亜鉛注入配管22に相当する。
本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法に適用されるクロム供給装置の詳細な構成を、図3を用いて説明する。
クロム供給装置30は、サージタンク31、循環ポンプ32,53、循環配管35、エゼクタ37、クロムイオン注入装置38、還元剤注入装置43、酸化剤注入装置48、加熱器54、冷却装置55、カチオン交換樹脂塔56、混床樹脂塔57及び分解装置58及びエゼクタ37を備えている。
開閉弁60、循環ポンプ53、弁62、加熱器54、弁63,64及び65、サージタンク31、循環ポンプ32、弁33及び開閉弁34が、上流よりこの順に循環配管35に設けられている。弁62をバイパスして循環配管35に両端部が接続される配管66に、弁67及びフィルタ59が設置される。加熱器54及び弁63をバイパスする配管68の両端部が循環配管35に接続され、冷却器55及び弁69が配管68に設置される。両端が循環配管35に接続されて弁64をバイパスする配管70に、カチオン交換樹脂塔56及び弁71が設置される。両端部が配管70に接続されてカチオン交換樹脂塔56及び弁71をバイパスする配管72に、混床樹脂塔57及び弁73が設置される。カチオン交換樹脂塔48は陽イオン交換樹脂を充填しており、混床樹脂塔49は陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂を充填している。
分解装置58及び弁75が設置される配管74が弁65をバイパスして循環配管35に接続される。分解装置50は、内部に、例えば、ルテニウムを活性炭の表面に添着した活性炭触媒を充填している。サージタンク31が弁65と循環ポンプ32の間で循環配管35に設置される。弁36及びエゼクタ37が設けられる配管76が、循環ポンプ32と弁33の間で循環配管35に接続され、さらに、サージタンク31に接続されている。浄化系配管20の内面の汚染物を還元溶解するために用いるシュウ酸(還元除染剤)をサージタンク31内に供給するためのホッパ(図示せず)がエゼクタ37に設けられている。
クロムイオン注入装置38が、薬液タンク39、注入ポンプ40及び注入配管42を有する。薬液タンク39は、注入ポンプ40及び弁41を有する注入配管42によって循環配管35に接続される。注入配管42の循環配管35への接続点は、弁33よりも下流に位置している。薬液タンク39には、クロムイオンを含む水溶液である、クロム酸を水に溶解して調製したクロム酸水溶液が充填されている。このクロム酸水溶液は、クロムを例えば500ppm含んでいる。
還元剤注入装置43が、薬液タンク44、注入ポンプ45及び注入配管46を有する。薬液タンク44は、注入ポンプ45及び弁47を有する注入配管46によって循環配管35に接続される。注入配管46の循環配管35への接続点は、注入配管46と循環配管35の接続点よりも下流で開閉弁34よりも上流に位置している。薬液タンク39には還元剤である酸性亜硫酸ナトリウムが充填されている。
酸化剤注入装置48が、薬液タンク49、注入ポンプ50及び注入配管78を有する。薬液タンク49は、注入ポンプ50及び弁77を設けた注入配管78によって分解装置58よりも上流で配管74に接続される。薬液タンク49には酸化剤である過酸化水素が充填される。酸化剤としては、オゾンを溶解した水を用いてもよい。
図示されていないが、pH調整剤注入装置が循環配管35に接続される。pH調整剤注入装置は、pH調整剤であるヒドラジンを充填した薬液タンクを有しており、この薬液タンクが、弁を有する注入配管によって循環配管35に接続される。また、導電率計73が、注入配管42と循環配管35の接続点と弁33の間で循環配管35に取り付けられる。pH計80が注入配管46と循環配管35の接続点と開閉弁34の間で循環配管35に取り付けられる。
本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法を、図1を用いて詳細に説明する。
まず、クロム供給装置をクロム付着対象物である配管系に接続する(ステップS1)。或る一つの運転サイクルでのBWRプラントの運転が炉心内の燃料集合体の交換のために停止された後のBWRプラントの運転停止期間において、前述したように、仮設設備であるクロム供給装置30の循環配管35の両端部が、クロム付着対象物の配管系である浄化系配管(原子力プラントの構成部材である炭素鋼部材)20に接続される。すなわち、BWRプラントの運転停止後に、例えば、浄化系ポンプ24と再生熱交換器25の間で浄化系配管20に設けられている弁15のボンネットを開放してこのボンネットの浄化系ポンプ24側を封鎖すると共に、弁15のフランジを用いてクロム供給装置30の循環配管35の一端を、浄化系ポンプ24と再生熱交換器25の間で浄化系配管20に接続する。さらに、再生熱交換器25と非再生熱交換器26の間で浄化系配管20に設けられている弁16のボンネットを開放し、このボンネットの非再生熱交換器26側を封鎖する。弁16のフランジを用いてクロム供給装置30の循環配管35の他端を、再生熱交換器25と非再生熱交換器26の間で浄化系配管20に接続する。循環配管35の両端が浄化系配管20に接続され、給水配管10及び循環配管35を含む閉ループが形成される。
クロム付着対象物に対する化学除染を実施する(ステップS2)。運転を経験したBWRプラントのクロム付着対象物である浄化系配管20の内面に鉄酸化物の皮膜が形成され、この鉄酸化物の皮膜には放射性核種が含まれている。このため、放射性核種を含んでいる鉄酸化物の皮膜を、化学除染により除去する。炭素鋼製の浄化系配管20の内面にはクロム酸化物の皮膜が形成されていないので、ステップS2では、鉄酸化物の皮膜を除去する、特開2000−105295号公報に記載された化学除染の一種である還元除染が行われる。本実施例のステップS2では、過マンガン酸カリウム水溶液を用いた酸化除染は実施されない。
その還元除染について簡単に説明する。まず、弁60,62,63,64,65,33及び34をそれぞれ開き、他の弁を閉じた状態で、循環ポンプ32及び53を駆動する。これにより、循環配管35を通して浄化系配管20内にサージタンク31内の水を循環させる。加熱器54により循環する水を加熱し、この水の温度が90℃になったときに弁36を開く。エゼクタ37から供給されるシュウ酸が配管76内を流れる水によりサージタンク31内に導かる。このため、サージタンク31内でシュウ酸水溶液(還元除染液)が生成される。循環ポンプ32により昇圧されたシュウ酸水溶液が、循環配管35を通って還元除染を実施する浄化系配管20に供給される。浄化系配管20に供給される前に、前述したpH調整剤注入装置の薬液タンク内のヒドラジン水溶液が、が循環配管35内を流れるシュウ酸水溶液に注入され、このシュウ酸水溶液のpHが2.5に調節される。pH調整剤注入装置から注入されるヒドラジン水溶液の量は、pH計80で測定されたpHが2.5になるように注入ポンプの回転速度を制御することにより調節される。
pHが2.5のシュウ酸水溶液は、浄化系配管20の化学除染対象個所の内面に接触してこの内面に形成されている鉄酸化物の皮膜を溶解し、鉄酸化物の皮膜を浄化系配管20の内面から除去する。このとき、弁64の開度が一部減少されて弁71が開いている。浄化系配管20から循環配管35に戻されたシュウ酸水溶液の一部が、配管70を通してカチオン交換樹脂塔56に導かれる。シュウ酸水溶液に含まれている鉄イオン等の金属陽イオンがカチオン交換樹脂塔56内の陽イオン交換樹脂に吸着されて除去される。
浄化系配管20の還元除染が終了した後、シュウ酸水溶液に含まれているシュウ酸及びヒドラジンが分解される。これらの分解は、分解装置58で行われる。弁65の開度を一部低減圧せ、弁75を開く。浄化系配管20から循環配管35に戻されたシュウ酸水溶液の一部が、配管74を通して分解装置58に導かれる。このとき、弁77を開いて注入ポンプ50を駆動することにより、酸化剤注入装置48の薬液タンク49内の過酸化水素が注入配管78を通して分解装置58に供給される。シュウ酸及びヒドラジンは分解装置58内で活性炭触媒及び過酸化水素の作用により分解される。シュウ酸及びヒドラジンの分解後(ただし、シュウ酸は10ppm以下)、弁65,69,73を開いて弁63,71,75を閉じ、シュウ酸水溶液を冷却器55で冷却して温度を60℃まで低下させる。その後、このシュウ酸水溶液が混床樹脂塔62に導かれ、シュウ酸水溶液に残留している陰イオン及び陽イオンが混床樹脂塔62で除去される。
処理液の温度を調節する(ステップS3)。シュウ酸水溶液の混床樹脂塔62での浄化が終了した後、弁67を開いて弁62を閉じ、フィルタ59への通水を開始する。そして、弁64を開いて弁73を閉じることにより、混床樹脂塔57への通水を停止する。フィルタ59への通水は、水中に残留している微細な固形物をフィルタ59で除去する。この固形物の除去は、固形物の表面にクロムが付着するという、クロムイオン水溶液の注入により循環配管35に注入されたクロムイオンの無駄な使用を防止するためである。
混床樹脂塔62による陰イオン及び陽イオンの除去が終了したとき、シュウ酸水溶液は実質的に水になる。その後、弁63を開いて弁69を閉じる。循環配管35及び浄化系配管20を含む閉ループ内を循環する水が、加熱器54により60℃〜100℃の範囲内の温度、例えば、90℃に加熱される。処理液の温度は、クロム付着対象物である、原子炉圧力容器12に連絡されて炉水が流れる炭素鋼製の配管、例えば、浄化系配管20の内面へのクロム粒子の付着速度(またはクロム皮膜の生成速度)が実用範囲になる60℃以上が好ましい。処理液の温度が100℃を越えた場合には処理液が沸騰する。処理液の沸騰を抑制するためには、加圧する必要があり、クロム供給装置30を耐圧構造にする必要がある。このため、クロム付着対象物である浄化系配管20に供給される処理液の温度は、60℃〜100℃の範囲内に制御することが望ましい。
クロムイオンを注入する(ステップS4)。クロムイオン注入装置38から循環配管35内にクロム酸水溶液が注入される。具体的には、弁41を開いて注入ポンプ40を駆動することにより薬液タンク39内の、pHが2〜4の範囲内にあるクロム酸水溶液が、注入配管42を通って、循環配管35内を流れる水に注入され、循環配管35内で処理液が生成される。クロム酸水溶液の注入により生成された循環配管35内の処理液のpHは3になり、その処理液のクロムイオン濃度が500ppmである。
還元処理を実行する(ステップS5)。本実施例におけるクロムイオンの還元処理は、処理液に還元剤の水溶液、例えば、酸性亜硫酸ナトリウム水溶液を注入することによって行われる。pHが3、温度が90℃でクロムイオンを500ppm含んでいる、循環配管35内の処理液に、還元剤注入装置43から還元剤である酸性亜硫酸ナトリウムを水溶液の状態で注入する。具体的には、弁47を開いて注入ポンプ45を駆動することにより薬液タンク44内の酸性亜硫酸ナトリウムの水溶液が、注入配管46を通って、循環配管35内を流れる処理液に注入される。pH計80によって循環配管35内を流れる処理液のpHが測定され、測定されたpHが例えば7になるように、ポンプ45の回転速度を制御して循環配管35内に注入される酸性亜硫酸ナトリウム水溶液の注入量を調節する。
クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含み、温度が90℃でpHが7である処理液は、駆動している循環ポンプ32,53によって昇圧され、循環配管35を通して浄化系配管20内に供給される。処理液に含まれるクロムイオンは浄化系配管20の内面に吸着され、処理液に含まれている酸性亜硫酸ナトリウムによる還元作用によって吸着されたクロムイオンが金属クロムに還元される。処理液に含まれるクロムイオンも、酸性亜硫酸ナトリウムの還元作用により還元されて金属クロムになる。処理液中の金属クロムは、浄化系配管20の内面に付着する。
浄化系配管20の内面に吸着されたクロムイオンの金属クロムへの還元、及び処理液中の金属クロムの浄化系配管20の内面への付着によりクロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムのそれぞれの濃度が減少した状態で、浄化系配管20に供給された処理液が開閉弁60側から循環配管35に戻される。戻された処理液を加熱器54で加熱して90℃にし、この処理液に、前述したように、クロムイオン注入装置38からクロム酸水溶液を注入し、さらに、還元剤注入装置43から酸性亜硫酸ナトリウム水溶液を注入する。500ppmのクロムイオン、及び酸性亜硫酸ナトリウムを含み、温度が90℃でpHが7である処理液が、循環配管35を通して、再び、浄化系配管20に供給される。処理液は、このように、循環配管35及び浄化系配管20を含む閉ループ内を循環する。
上記のように、クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液を循環配管35から浄化系配管20に継続して供給することにより、浄化系配管20の内面に付着する金属クロムの量が増加する。金属クロムの粒子がその内面に付着する。クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液の浄化系配管20への供給時間が長くなると、浄化系配管20の内面に付着した金属クロムの粒子は金属クロムの皮膜に成長し、その内面にクロム皮膜が形成される。
クロム付着対象物へのクロムの付着が完了したかが判定される(ステップS6)。浄化系配管20へのクロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液の供給は、浄化系配管20の、クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液が接触する内面に、この内面に存在するFeに対してクロムの割合が22%以上の範囲内に存在する設定クロム割合のクロムが付着したときに停止される。本実施例では、設定クロム割合は、例えば、80%である。
浄化系配管20の内面に存在するFeに対してクロムの割合が、設定クロム割合である80%になったかの判定は、クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液の浄化系配管20への供給開始時からの経過時間に基づいて判定される。この経過時間は、500ppmのクロムイオン、及び酸性亜硫酸ナトリウムを含み、温度が90℃でpHが7である処理液を、炭素鋼製のクロム付着対象物の表面に接触させてから、その表面に存在するFeに対してクロムの割合が80%になるまでに要する時間(以下、設定経過時間という)を実験等で予め求めることによって設定することができる。供給される処理液のクロムイオン濃度が500ppmの場合には、設定経過時間は3時間になる。
クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液の浄化系配管20への供給開始時からの経過時間が設定経過時間に達していないときは、クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液が供給されている浄化系配管20の内面に存在するFeに対してクロムの割合が80%になっていなく、浄化系配管20の内面へのクロムの付着が完了していないと判定される。すなわち、ステップS6の判定が「No」となり、ステップS4におけるクロムイオン水溶液の注入、及びステップS5における酸性亜硫酸ナトリウム水溶液の注入が継続される。なお、浄化系配管20の内面に存在するFeに対してクロムの割合が100%になった場合には、浄化系配管20の、処理液に接触している内面全体に亘ってクロムの皮膜が形成される。
クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液の浄化系配管20への供給開始時からの経過時間が設定経過時間に達したとき、浄化系配管20の内面へのクロムの付着が完了したと判定され、ステップS6の判定が「Yes」となる。このとき、制御装置(図示せず)が注入ポンプ40,45を停止させ、弁41,47を閉じる。この結果、循環配管35へのクロム酸水溶液及び酸性亜硫酸ナトリウム水溶液のそれぞれの注入が停止される。これによって、浄化系配管20の内面へのクロム付着作業が終了する。
廃液の処理を実施する(ステップS7)。浄化系配管20の内面へのクロム付着作業が終了したときに循環配管35及び浄化系配管20を含む閉ループ内に存在する処理液は、廃液になる。この廃液に残留している金属クロム、クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを除去する必要がある。このため、弁67,69,71,73が開いて弁62,63,64が閉じられる。浄化系配管20から循環配管35に排出された処理液は、フィルタ59に供給され、その後、冷却器55によって60℃まで冷却される。60℃の処理液は、さらに、カチオン交換樹脂塔56及び混床樹脂塔57のそれぞれに供給される。
処理液に含まれる金属クロムはフィルタ59で除去される。処理液に含まれるクロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムのナトリウムイオンは、カチオン交換樹脂塔56及び混床樹脂塔57のそれぞれに存在する陽イオン交換樹脂に吸着されて除去される。酸性亜硫酸ナトリウムの亜硫酸イオン(HSO3 -)は、混床樹脂塔57内の陰イオン交換樹脂に吸着されて除去される。フィルタ59から排出された処理液に残存する金属クロムは、カチオン交換樹脂塔56内に充填された陽イオン交換樹脂の層によるフィルタ作用、及び混床樹脂塔57内に混合されて充填された陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂の層によるフィルタ作用によって除去される。
循環配管35及び浄化系配管20内に存在する廃液が、循環配管35及び浄化系配管20を含む閉ループを循環され、循環する廃液に残留する金属クロム、クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムが上記のように除去されて廃液は水になり、廃液の処理が終了する。廃液の処理が終了した後、循環配管35及び浄化系配管20内に存在する水が貯蔵タンク内に排出される。
クロム供給装置を配管系から取り外す(ステップS8)。クロム供給装置30の循環配管35の両端を弁15及び16のそれぞれから取り外す。弁15及び16のそれぞれの封鎖を解除し、これらの弁を復旧させて弁15及び16のそれぞれと浄化系配管20の接続状態を正常な状態に戻す。
原子炉の運転を再開する(ステップS9)。炉心13内の燃料集合体の交換が終了した後、または、BWRプラントの運転停止期間においてBWRプラントの保守点検も行う場合には燃料集合体の交換及びBWRプラントの保守点検の終了後、次の新たな一つの運転サイクルにおける原子炉、すなわち、BWRプラントを起動する。炉心に炉水を供給しながら原子炉出力が上昇し、やがて、原子炉出力が定格出力である100%に到達する。このとき、原子炉圧力容器12内の炉水の温度が約280℃になる。
亜鉛注入を実施する(ステップS10)。BWRプラントが定格出力で運転されているとき、原子炉圧力容器12内の炉水に亜鉛イオンが注入される。亜鉛イオンの注入には、亜鉛注入装置52が用いられる。亜鉛注入装置52では、特開2013−250109号公報に記載されているように、炭酸ガス溶解槽内の水にバブリングされた炭酸ガスを溶解させて炭酸ガス溶解槽内で炭酸水溶液を生成し、この炭酸水溶液により亜鉛溶解槽内に充填した酸化亜鉛ペレットを溶解し、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液を生成する。
亜鉛注入装置52で生成された、350ppmの亜鉛イオンを含む炭酸水溶液が、亜鉛注入装置52に接続された注入配管29に設けられた弁51を開いて注入ポンプ28を駆動することにより、注入配管29を通って3.5kg/hで浄化系配管20の、再生熱交換器25で加熱された炉水が流れる部分に供給される。亜鉛注入装置52から注入配管29による浄化系配管20への亜鉛イオンの供給速度は、1.2g/hになる。注入された亜鉛イオンは、浄化系配管20内を流れる炉水に混合されて給水配管10内を流れる給水と共に、原子炉圧力容器12内の炉水に注入される。給水配管10により原子炉圧力容器12に供給される給水(浄化系配管20より給水配管10に供給される炉水を含む)の亜鉛イオンの濃度は、0.2ppbである。
炉水は、原子炉圧力容器12内で放射線を照射されて放射線分解により水素及び酸素に分解される。酸素の一部は炉水に溶解する。また、炉水は、前述したように、再循環系配管22内を流れる。ステンレス鋼製の再循環配管(ステンレス鋼部材)22の母材に含まれているNiは、僅かであるが、再循環系配管22内を流れる炉水に溶出する。また、他のステンレス鋼部材であるステンレス鋼製の炉心シュラウドからも、炉水中に僅かのNiが溶出する。この結果、炉水は、少量ではあるが、Niを含んでいる。亜鉛イオン、溶存酸素及びNiを含む約280℃の炉水が、原子炉圧力容器12内から再循環系配管22を経て浄化系配管20内に流入し、浄化系配管20の、クロム粒子が付着した内面に接触する。その処理液は、浄化系配管20のクロム粒子に接触する。この結果、亜鉛イオン、Ni、溶存酸素及び浄化系配管20の母材に含まれるFeが反応し、浄化系配管20の内面に不動態皮膜である(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)が形成される。
本実施例では、亜鉛注入装置52から原子炉圧力容器12内への亜鉛の注入は、前述の新たな一つの運転サイクルにおけるBWRプラントの運転が停止されるまで継続して行われる。
本実施例によれば、BWRプラントの運転停止中に、BWRプラントの炭素鋼部材である炭素鋼製の浄化系配管20に、クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む90℃の処理液を供給して浄化系配管20の内面にCr粒子を付着させ、BWRプラントの運転再開後に、原子炉圧力容器12内の炉水に亜鉛イオンを注入し、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を、浄化系配管20の、Cr粒子を付着した内面に形成するため、浄化系配管20の、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を形成した部分への放射性核種(例えば、Co−60)の付着量が減少する。このため、BWRプラントの保守点検時における作業員の被ばくを低減することができる。Co−60以外の放射性核種であるCo−58及びMn−54等の付着も、浄化系配管20の内面に、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を形成することによって抑制することができる。
(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を浄化系配管20の内面に形成するため、浄化系配管20、すなわち、炭素鋼部材の腐食を抑制することができる。
特に、本実施例では、浄化系配管20の炉水と接触する内面のFeに対してCrを22%以上である80%付着させて、不動態皮膜である(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)をその内面に形成しているので、浄化系配管20の、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を形成した部分への放射性核種の付着を著しく低減することができる。
本実施例では、炭素鋼製配管である浄化系配管20の内面にCr粒子を付着させるために使用されるCrイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含む処理液は塩素を含んでいなく、炉水への亜鉛注入に使用される亜鉛イオンを含む炭酸水溶液も塩素を含んでいない。このため、BWRプラントの炉水に接触する、配管の内面が塩素で腐食されることがなく、BWRプラントの炉水に接触する構造部材の健全性を長期間に亘って維持することができる。
本発明の他の好適な実施例である実施例2の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法を、図7を用いて説明する。本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法は、BWRプラントの残留熱除去系の残留熱除去系配管に適用される。
残留熱除去系は、2系統設けられ、2系統の再循環系の再循環系配管22のそれぞれに接続されている。各残留熱除去系は、残留熱除去系配管86、残留熱除去系配管86に設けられたポンプ87、及びこのポンプ87の下流で残留熱除去系配管86に設けられた熱交換器(冷却器)88を有している。残留熱除去系配管は炭素鋼製である。残留熱除去系配管86の一端は再循環ポンプ21の上流側で再循環系配管22に接続され、残留熱除去系配管86の他端は再循環ポンプ21の下流側で再循環系配管22に接続される。残留熱除去系配管86は原子炉格納容器11を貫通しており、残留熱除去系配管86の原子炉格納容器11の2個所の貫通部において、それぞれ隔離弁が残留熱除去系配管86に設けられる。一つの貫通部では、原子炉格納容器11の内側に配置された隔離弁89Aが残留熱除去系配管86に設けられ、原子炉格納容器11の外側に配置された隔離弁89Bが残留熱除去系配管86に設けられる。他の貫通部では、原子炉格納容器11の内側に配置された隔離弁90Aが残留熱除去系配管86に設けられ、原子炉格納容器11の外側に配置された隔離弁90Bが残留熱除去系配管86に設けられる。弁91が隔離弁89Bとポンプ87の間で残留熱除去系配管86に設けられる。弁92が隔離弁90Bと熱交換器88の間で残留熱除去系配管86に設けられる。
残留熱除去系は、例えば、BWRプラントの運転停止後における炉心13で発生する崩壊熱を除去する。BWRプラントの運転停止後、その崩壊熱で加熱された原子炉圧力容器12内の炉水を、ポンプ87を駆動し、その崩壊熱で加熱された原子炉圧力容器12内の炉水を再循環系ポンプ21の上流側で再循環系配管22から残留熱除去系に導き、熱交換器88内で冷却する。冷却された炉水は、再循環系ポンプ21の下流側で再循環系配管22に流入し、ジェットポンプ14を通って炉心13に供給され、炉心13内の各燃料集合体を冷却する。
或る一つの運転サイクルでの運転が終了してBWRプラントの運転が停止されている期間において、弁91のボンネットを開放してこのボンネットの隔離弁89B側を封鎖すると共に、弁91のフランジを用いてクロム供給装置30の循環配管35の一端を、隔離弁89Bとポンプ87の間で残留熱除去系配管86に接続し、弁92のボンネットを開放してこのボンネットの隔離弁90B側を封鎖すると共に、弁92のフランジを用いてクロム供給装置30の循環配管35の他端を、隔離弁90Bと熱交換器88の間で残留熱除去系配管86に接続する(ステップS1)。浄化系配管20の場合と同様に、シュウ酸水溶液を用いて残留熱除去系配管86の内面の還元除染を行う(ステップS2)。その後、ステップS3〜S5の各工程が実施され、クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含み、温度が90℃でpHが7である処理液を、クロム供給装置30から残留熱除去系配管86内に供給し、残留熱除去系配管86の内面にCr粒子を付着させる。Crは、残留熱除去系配管の内面のFeに対して22%以上の割合で付着される。ステップS6の判定がYESになったとき、ステップS7及びS8の各工程を実施する。そして、次の新たな一つの運転サイクルでのBWRプラントの運転を開始する(ステップS9)。この運転サイクルにおけるBWRプラントの運転時においては、隔離弁89A,89B,90A,90Bのそれぞれが閉じており、炉水が再循環系配管22から残留熱除去系配管86に供給されない。この運転サイクルにおけるBWRプラントを停止するとき、これらの隔離弁が開いて原子炉圧力容器12内の炉水が残留熱除去系配管86に供給される。上記の新たな一つの運転サイクルに対するBWRプラントを停止するとき及び上記の新たな一つの運転サイクルの終了後にBWRプラントが停止されているときに、亜鉛注入装置52から浄化系配管20への亜鉛イオンを含む炭酸水溶液の注入を停止せず、この炭酸水溶液の注入が継続して行われる(ステップS10)。なお、本実施例での亜鉛注入は、上記の新たな一つの運転サイクルの次の新たな一つの運転サイクルに対するBWRプラントの運転が開始される前に停止される。
亜鉛イオンを含む炭酸水溶液は、実施例1と同様に、浄化系配管20及び給水配管10を通して原子炉圧力容器12内の炉水に注入される。亜鉛イオンを含む炉水が再循環系配管22を通して残留熱除去系配管86内に流入する。このため、実施例1の浄化系配管20と同様に、残留熱除去系配管86の内面に、残留熱除去系配管86の内面のFeに対して22%以上の割合でCrが付着されており、このCrと、炉水に含まれる亜鉛イオン、溶存酸素及びNiが反応して残留熱除去系配管86の内面に、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)が形成される。
残留熱除去系配管86に設けられた熱交換器88により炉水が冷却されるため、BWRプラントの運転が停止された後も、炉心で発生する崩壊熱を除去することができる。(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)は、その熱交換器よりも上流側で残留熱除去系配管の内面に効率良く形成される。
本実施例は、残留熱除去系配管の内面に付着する放射性核種を低減することができ、実施例1で生じる各効果を得ることができる。
本発明の他の好適な実施例である実施例3の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法を説明する。本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法は、BWRプラントの原子炉浄化系の浄化系配管及び残留熱除去系の残留熱除去系配管に適用される。
或る一つの運転サイクルでの運転が終了した後のBWRプラントの運転停止期間において、本実施例のステップS1では、クロム供給装置30の両端が実施例1と同様に浄化系配管20に接続され、さらに、他のクロム供給装置30の両端が実施例2と同様に残留熱除去系配管86に接続される。浄化系配管20及び残留熱除去系配管86のそれぞれの内面が、還元除染される(ステップS2)。浄化系配管20及び残留熱除去系配管86のそれぞれにおいて、ステップS3が実施される。浄化系配管20及び残留熱除去系配管86のそれぞれに接続された循環配管35に、クロム酸水溶液が注入され(ステップS4)、酸性亜硫酸ナトリウム水溶液が注入される(ステップS5)。クロムイオン及び酸性亜硫酸ナトリウムを含み、温度が90℃でpHが7である処理液が、別々のクロム供給装置30の各循環系配管35によって浄化系配管20及び残留熱除去系配管86のそれぞれに供給される。この結果、浄化系配管20及び残留熱除去系配管86のそれぞれの内面にCr粒子が付着される。各配管において、内面に存在するFeに対してクロムの割合が80%になったとき、ステップS6の判定がYESになり、それぞれの循環配管35へのクロム酸水溶液及び酸性亜硫酸ナトリウム水溶液のそれぞれの注入が停止される。廃液の処理が実施され(ステップS7)、浄化系配管20及び残留熱除去系配管86のそれぞれからクロム供給装置30が取り外される(ステップS8)。浄化系配管20及び残留熱除去系配管86のそれぞれがもとの状態に復旧される。
燃料集合体の交換が終了し、BWRプラントの保守点検が終了した後、次の新たな一つの運転サイクルにおけるBWRプラントの運転が開始される(ステップS9)。この運転サイクルにおいて原子炉出力が定格出力(100%出力)になった後、原子炉圧力容器12内の炉水に亜鉛イオンが注入される(ステップS10)。炉水への亜鉛注入は、実施例1と同様に行われる。BWRプラントが定格出力で運転されているとき、隔離弁89A,89B,90A,90Bが閉じられており、炉水が残留熱除去系配管86に供給されない。亜鉛イオンを含む炉水が、浄化系配管20に供給され、浄化系配管20の、Cr粒子が付着された部分の内面に接触する。この280℃の炉水は、亜鉛イオン以外に、前述したように、溶存酸素及びNiを含んでいる。このため、浄化系配管20の内面に付着したCrが、溶存酸素、Ni及び浄化系配管20の母材に含まれたFeと反応し、浄化系配管20のその内面に、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)が形成される。
上記の新たな一つの運転サイクルにおけるBWRプラントの運転が終了し、BWRプラントを停止するときに、隔離弁89A,89B,90A,90Bが開いて亜鉛イオンを含む炉水が残留熱除去系配管86に供給される。残留熱除去系配管86の内面に付着しているCrは、炉水に含まれた亜鉛イオン、溶存酸素及びNi、及び残留熱除去系配管86の母材に含まれたFeと反応し、残留熱除去系配管86のその内面に、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)が形成される。亜鉛イオンを含む炉水の残留熱除去系非管86への供給は、実施例2と同様に行われる。
本実施例は実施例1で生じる各効果を得ることができる。また、本実施例では、残留熱除去系配管86の内面に、(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)が形成されるため、残留熱除去系配管86の内面への放射性核種の付着も抑制される。
本発明の他の好適な実施例である実施例4の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法を、図8を用いて説明する。本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法は、BWRプラントの原子炉浄化系の浄化系配管に適用される。
新設のプラント、例えば、新設のBWRプラントの炭素鋼製の浄化系配管20は、内面に放射性核種が付着していないため、実施例1のように、浄化系配管20の内面に対して、化学除染(ステップS2)を実施する必要がない。また、本実施例では、図3に示されたクロム供給装置30が用いられる。
本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法では、実施例1で行われるステップS1及びS3〜S10の各工程が実施される。
本実施例は実施例1で生じる各効果を得ることができる。
BWRプラントの新規プラントであるとき、実施例2,4及び後述の実施例5において、本実施例と同様に化学除染の工程を省略することができる。
本発明の他の好適な実施例である実施例5の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法を説明する。本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法は、BWRプラントの原子炉浄化系の浄化系配管に適用される。
本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法では、図9に示されたクロム供給装置30Aが用いられる。
クロム供給装置30Aは、実施例1で用いられるクロム供給装置30において還元剤注入装置43の替りに還元処理装置81を用いている。循環配管35は、3つの部分に分割されており、循環配管35の第1の部分と循環配管35の第2の部分はフランジ85で接続されており、循環配管35の第2の部分と循環配管35の第3の部分はフランジ84で接続されている。循環配管35の第2の部分は、循環配管35の、開閉弁34、循環ポンプ32,53及び開閉弁60が設けられたフランジ85とフランジ84の間の部分である。循環配管35の第1の部分は、循環配管35のフランジ85よりも下流側の部分である。循環配管35の第3の部分は、循環配管35のフランジ84よりも上流側の部分である。還元処理装置81は、配線82によって循環配管35の第1の部分に接続され、さらに、配線83によって循環配管35の第3の部分に接続されている。クロム供給装置30Aの他の構成はクロム供給装置30と同じである。
本実施例の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法では、図1に示されたステップS1〜S10の各工程が実施される。ステップS1〜S8の各工程は或る一つの運転サイクルでの運転が停止した後の原子力プラントの運転停止期間中に実施され、ステップS9及びS10の各工程は、次の新たな一つの運転サイクルにおいて実施される。これらの工程のうち、ステップS4では、還元剤注入により還元処理ではなく、クロム供給装置30Aの還元処理装置81を用いた還元処理(電気化学的な還元処理)が実施される。
ステップS1では、クロム供給装置30Aの循環配管35の両端部が、実施例1と同様に、浄化系配管20に接続される。ステップS2の化学除染、すなわち、還元除染が浄化系配管20の内面に実施される。ステップS3が実施され、ステップS4において、クロムイオン注入装置38から循環配管35内にクロム酸水溶液が注入される。クロムイオンを含み、pHが3で90℃の処理液が、循環配管35から浄化系配管20内に供給される。
本実施例におけるステップS5で実施される還元処理について説明する。クロムイオンを含み、pHが3で90℃の処理液(クロムイオン濃度500ppm)が循環配管35から浄化系配管20に供給されている間、配線82,83によって循環配管35に接続されている還元処理装置81から循環配管35に電流を供給する。循環配管35の第2の部分に、還元処理装置81からの電流が供給されないように、循環配管35の第1の部分と循環配管35の第2の部分を接続するフランジ85の間に、電気絶縁材であるゴムシートが配置されている。循環配管35の第2の部分と循環配管35の第3の部分を接続するフランジ84の間にも、ゴムシートが配置されている。これらのゴムシートの中央部には、処理液が流れるように開口部が形成されている。還元処理装置81から循環配管の第1部分に供給された電流は、循環配管の第1部分、浄化系配管20、循環配管35の第3部分及び還元処理装置81へと流れる。処理液に含まれたクロムイオンは浄化系配管20の内面に吸着され、吸着されたクロムイオンは、浄化系配管20を流れる電流から電子の供給を受けて電気化学的に還元され、金属クロムに変化する。このため、浄化系配管20の内面は、金属クロムの粒子が付着した状態になる。
ステップS6で、クロム付着対象物である浄化系配管20の内面へのクロムの付着が完了したかが判定される。この判定は、処理液が流れている浄化系配管20への電流の供給時間に基づいて判定される。本実施例では、浄化系配管20への電流の供給時間が、浄化系配管20の処理液が接触する内面に存在するFeに対してクロムの割合が22%以上の範囲内である例えば80%になる設定電流供給時間になったとき、浄化系配管20の内面へのクロムの付着が完了したと判定される。電流の供給時間が設定電流供給時間になっていない間は、ステップSのクロム酸水溶液の注入及びステップS5の還元処理(浄化系配管20への電流の供給)が継続して行われる。
ステップS6の判定がYESになったとき、ステップS7〜S10の各工程が実施される。
本実施例は実施例1で生じる各効果を得ることができる。本実施例では、還元処理装置81から、内面にFe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を形成する浄化系配管20に電流を供給するため、クロム供給装置30Aをクロム供給装置30に比べて簡素化することができる。また、実施例1で用いられる酸性亜硫酸ナトリウム水溶液の作製が不要になる。
クロム供給装置30Aは、実施例2ないし4のそれぞれの原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法においても使用することができる。
1…原子炉、3…タービン、4…復水器、10…給水配管、12…原子炉圧力容器、20…浄化系配管、30,30A…クロム供給装置、31…サージタンク、32,53…循環ポンプ、35…循環配管、38…クロムイオン注入装置、43…還元剤注入装置、48…酸化剤注入装置、51…フィルタ、54…加熱器、55…冷却器、56…カチオン交換樹脂塔、57…混床樹脂塔、58…分解装置、81…還元処理装置、86…残留熱除去系配管。

Claims (12)

  1. 原子力プラントの運転が停止されているとき、前記原子力プラントを構成する炭素鋼部材の、炉水と接触する表面にクロムを付着させ、
    前記原子力プラントを起動した後、前記炉水に亜鉛を注入して亜鉛を含む前記炉水を前記炭素鋼部材に付着した前記クロムに接触させ、
    前記炭素鋼部材に付着した前記クロムが前記亜鉛、前記炉水に含まれるニッケル及び溶存酸素、及び前記炭素鋼部材に含まれる鉄と反応して生成される(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を前記炭素鋼部材の表面に形成することを特徴とする原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  2. 前記原子力プラントの運転が停止されているとき、前記炭素鋼部材の前記炉水と接触する表面のFeに対してCrを22%以上付着させる請求項1に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  3. 前記炭素鋼部材への前記クロムの付着は、前記炭素鋼部材の炉水と接触する前記表面を化学除染した後に行われる請求項1に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  4. 前記炭素鋼部材への前記クロムの付着は、クロムイオンを含む処理液を前記炭素鋼部材の前記表面に接触させて前記クロムイオンを前記表面に吸着させ、吸着された前記クロムイオンを還元処理によりクロムに変えることによって行われる請求項1ないし3のいずれか1項に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  5. 前記炉水に含まれる前記ニッケルは前記原子力プラントの前記炉水と接触するステンレス鋼部材から炉水に溶出したニッケルであり、前記炉水中の前記溶存酸素は前記炉水の放射線分解で生成された酸素である請求項1に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  6. 前記処理液の温度が、60℃〜100℃の範囲内にある請求項4に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  7. 原子力プラントの運転が停止されているとき、前記原子力プラントの原子炉圧力容器に接続される炭素鋼部材である第1配管に、第2配管を接続し、
    前記原子力プラントの運転停止中に、前記第2配管を通して前記第1配管にクロムイオンを含む処理液を供給して前記クロムイオンを前記第1配管の前記炉水と接触する内面に付着させ、
    前記原子力プラントの運転停止中に、前記第1配管の前記内面に付着した前記クロムイオンを還元してクロムに変え、
    前記第2配管を前記第1配管から取り外した後に前記原子力プラントを起動し、
    前記原子力プラントの起動後に、前記炉水に亜鉛を注入して亜鉛を含む前記炉水を前記第1配管の前記内面に付着した前記クロムに接触させ、
    前記第1配管の前記内面に付着した前記クロムが前記亜鉛、前記炉水に含まれるニッケル及び溶存酸素、及び前記第1配管に含まれる鉄と反応して生成される(Fe,Ni)1-xZnxCr2-yFey4の皮膜(0<x<1、0<y<2)を前記第1配管の前記内面に形成することを特徴とする原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  8. 前記原子力プラントの運転が停止されているとき、前記第1配管の前記内面のFeに対してCrを22%以上付着させる請求項7に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  9. 前記クロムイオン及び還元剤を含む前記処理液を前記第2配管を通して前記第1配管に供給し、前記第1配管の前記内面に吸着された前記クロムイオンの前記クロムへの還元が前記還元剤によって行われる請求項7または8に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  10. 前記第2配管を通して前記第1配管に供給される前記処理液のpHが5〜8の範囲内にある請求項9に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  11. 前記第1配管の前記内面に吸着された前記クロムイオンの前記クロムへの還元が、前記第1配管に電流を供給することによって行われる請求項7または8に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
  12. 前記第1配管が浄化系配管及び残留熱除去系配管の少なくとも1つの配管である請求項7に記載の原子力プラントの炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法。
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