(57)【要約】【課題】原子炉圧力容器内に注入する、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液の亜鉛イオン濃度をさらに増加できる亜鉛注入方法を提供する。【解決手段】炭酸ガス溶解槽４、及び酸化亜鉛ペレット３を充填した亜鉛溶解槽２を含む閉ループを備えた亜鉛注入装置１が、給水配管３６への亜鉛注入に用いられる。散気管５からの炭酸ガスの放出で炭酸ガス溶解槽４内に生成された炭酸水溶液２４は循環ポンプ６により亜鉛溶解槽２に供給される。亜鉛イオンが亜鉛溶解槽２内の酸化亜鉛ペレット３に含まれる亜鉛が炭酸水溶液２４によって溶解される。溶解により生じた亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４が炭酸ガス溶解槽４内に導かれる。その閉ループ内を循環する炭酸水溶液２４の亜鉛イオン濃度は、さらに増加する閉ループ内を循環した、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４が炭酸ガス溶解槽４から亜鉛注入配管２１により給水配管３６に注入される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガス溶解領域内に存在する炭酸水溶液に炭酸ガスを注入して前記炭酸ガスを前記炭酸水溶液に溶解し、
前記炭酸ガス溶解領域内の前記炭酸水溶液を、前記炭酸ガス溶解領域、及び亜鉛を含む固体物質が存在する亜鉛溶解領域を含む閉ループ内を循環させ、
前記固体物質に含まれる前記亜鉛を、前記亜鉛溶解領域内において、前記循環によって前記炭酸ガス溶解領域から前記亜鉛溶解領域に供給される前記炭酸水溶液に溶解し、
前記溶解した亜鉛を含む前記炭酸水溶液を前記循環によって前記炭酸ガス溶解領域に供給し、
前記炭酸ガス溶解領域内の前記亜鉛を含む炭酸水溶液を、原子炉圧力容器に接続された配管を通して前記原子炉圧力容器に供給すること特徴とする亜鉛注入方法。
【請求項２】
前記亜鉛を含む固体物質から前記炭酸水溶液への前記亜鉛の溶解速度を、前記亜鉛溶解領域に供給する前記炭酸水溶液の流速を変えることによって制御する請求項１に記載の亜鉛注入方法。
【請求項３】
前記炭酸水溶液の前記亜鉛濃度が設定亜鉛濃度よりも小さいときに前記亜鉛溶解領域に供給される前記炭酸水溶液の第１流速は、前記炭酸水溶液の前記亜鉛濃度が設定亜鉛濃度になったときに前記亜鉛溶解領域に供給される前記炭酸水溶液の第２流速よりも速くする請求項１に記載の亜鉛注入方法。
【請求項４】
前記閉ループ内を循環した前記亜鉛を含む炭酸水溶液の前記原子炉圧力容器への供給により前記炭酸ガス溶解領域内の水位が下限設定水位に低下したとき、前記炭酸ガス溶解領域内に水を補給する請求項１または３に記載の亜鉛注入方法。
【請求項５】
前記炭酸ガス溶解領域内の前記水位が上限設定水位まで上昇したとき、前記炭酸ガス溶解領域への前記水の補給を停止する請求項４に記載の亜鉛注入方法。
【請求項６】
前記炭酸水溶液の導電率を計測し、計測された前記導電率を用いて前記炭酸水溶液の前記亜鉛の濃度を算出し、前記算出された前記亜鉛濃度に基づいて前記亜鉛溶解領域に供給する前記炭酸水溶液の流速を制御する請求項１に記載の亜鉛注入方法。
【請求項７】
前記炭酸ガスの注入が、第１溶解槽内に形成された前記炭酸ガス溶解領域内の前記炭酸水溶液に対して行われ、前記亜鉛の溶解が第２溶解槽内に形成された前記亜鉛溶解領域内で行われる請求項１に記載の亜鉛注入方法。
【請求項８】
前記炭酸ガスの注入が、溶解槽内に形成された前記炭酸ガス溶解領域内の前記炭酸水溶液に対して行われ、前記亜鉛の溶解が前記溶解槽内に形成された前記亜鉛溶解領域内で行われる請求項１に記載の亜鉛注入方法。
【請求項９】
亜鉛を含む固体物質が存在する亜鉛溶解領域、及び前記亜鉛溶解領域の下方に配置され、炭酸水溶液が蓄えられる溶液貯留領域が内部に形成された溶解槽内で前記溶液貯留領域の前記炭酸水溶液の液面よりも上方に炭酸ガスを供給し、
前記溶液貯留領域内の前記炭酸水溶液を、前記溶液貯留領域、及び亜鉛を含む固体物質が存在する亜鉛溶解領域を含む閉ループ内を循環させ、
前記固体物質に含まれる前記亜鉛及び前記炭酸ガスを、前記亜鉛溶解領域内において、前記循環によって前記溶液貯留領域から前記亜鉛溶解領域に供給される前記炭酸水溶液に溶解し、
前記溶解した亜鉛を含む前記炭酸水溶液を前記循環によって前記溶液貯留領域に供給し、
前記溶液貯留領域内の前記亜鉛を含む炭酸水溶液を、原子炉圧力容器に接続された配管を通して前記原子炉圧力容器に供給すること特徴とする亜鉛注入方法。
【請求項１０】
前記溶解槽内で前記溶液貯留領域の前記炭酸水溶液の液面よりも上方の圧力を計測し、計測された前記圧力が下限設定圧力に低下したとき、前記溶解槽内で前記炭酸水溶液の液面よりも上方に炭酸ガスを供給する請求項９に記載の亜鉛注入方法。
【請求項１１】
前記炭酸水溶液の前記亜鉛濃度が設定亜鉛濃度よりも小さいときに前記亜鉛溶解領域に供給される前記炭酸水溶液の第１流速は、前記炭酸水溶液の前記亜鉛濃度が設定亜鉛濃度になったときに前記亜鉛溶解領域に供給される前記炭酸水溶液の第２流速よりも速くする請求項９または１０に記載の亜鉛注入方法。
【請求項１２】
炭酸水溶液が存在する炭酸ガス溶解領域を内部に形成する第１溶解槽と、亜鉛を含む固体物質が存在する亜鉛溶解領域を内部に形成する第２溶解槽と、前記第１溶解槽及び前記第２溶解槽を含む閉ループと、前記閉ループに設けられ、前記炭酸ガス溶解領域内の前記炭酸水溶液を前記亜鉛溶解領域に供給するポンプ装置と、前記炭酸ガス溶解領域内の前記亜鉛を含む前記炭酸水溶液を原子炉圧力容器に接続された配管に注入する炭酸水溶液注入装置と、前記炭酸ガス溶解領域に炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給装置とを備えたことを特徴とする亜鉛注入装置。
【請求項１３】
前記炭酸ガス溶解領域、及び前記炭酸ガス溶解領域の上方に配置された前記亜鉛溶解領域が内部に配置されて、前記第１溶解槽と前記第２溶解槽を一体化した第３溶解槽を備えている請求項１２に記載の亜鉛注入装置。
【請求項１４】
亜鉛を含む固体物質が存在する亜鉛溶解領域、及び前記亜鉛溶解領域の下方に配置され、炭酸水溶液が蓄えられる溶液貯留領域が内部に形成された溶解槽と、前記溶液貯留領域及び前記亜鉛溶解領域を含む閉ループと、前記閉ループに設けられ、前記溶液貯留領域内の前記炭酸水溶液を前記亜鉛溶解領域に供給するポンプ装置と、前記炭酸ガス溶解領域内の前記亜鉛を含む前記炭酸水溶液を原子炉圧力容器に接続された配管に注入する炭酸水溶液注入装置と、前記溶液貯留領領域よりも上方で前記溶解槽内に炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給装置とを備えたことを特徴とする亜鉛注入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亜鉛注入方法及び亜鉛注入装置に係り、特に、沸騰水型原子力発電プラントの原子炉圧力容器内の炉水への亜鉛注入に好適な亜鉛注入方法及び亜鉛注入装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、沸騰水型原子力発電プラント（以下、ＢＷＲプラントと略記する。）は、複数の燃料集合体を装荷している炉心を内部に配置した原子炉圧力容器（ＲＰＶと称する）を有する原子炉を備えている。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炉水は、炉心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、ＲＰＶ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ＲＰＶに供給される。ＲＰＶ内での放射性腐食生成物の発生を抑制するため、給水に含まれる主として金属不純物が給水配管に設けられたろ過脱塩装置で除去される。
【０００３】
また、放射性腐食生成物の元となる腐食生成物は、ＲＰＶ及び再循環系配管等のＢＷＲプラントの構成部材の接水部から発生するので、ＢＷＲプラントの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。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、ＲＰＶの低合金鋼が、直接、炉水と接触することを防止している。炉水とは、ＲＰＶ内に存在する冷却水である。さらには、炉水の一部をＲＰＶに接続された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。
【０００４】
しかし、上述のような腐食対策を講じたとしても、極僅かな金属不純物が炉水に含まれることを避けることができないため、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不純物（例えば、金属元素）は、燃料棒内の核燃料物質の核分裂により放出される中性子の照射によって原子核反応を起こし、コバルト６０，コバルト５８，クロム５１及びマンガン５４等の放射性核種になる。
【０００５】
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。しかしながら、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。炉水に含まれる放射性物質は、ＲＰＶに接続された原子炉浄化系によって取り除かれる。しかしながら原子炉水浄化系で処理される炉水の処理量は、給水流量の数％でしかないため、炉水中の放射性物質を完全に除去することはできない。炉水中に残存する放射性物質は炉水とともにＲＰＶに接続された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（例えば、配管）の炉水と接触する表面に蓄積される。この結果、構成部材の表面から放出される放射線が、ＢＷＲプラントの定期検査においてこの定期検査の作業に従事する従事者の放射線被ばくの原因となる。
【０００６】
その従業者の被ばく線量は、各人毎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、各人の被ばく線量を可能な限り低くする必要が生じている。
【０００７】
そこで、配管の炉水と接触する表面への放射性核種の付着を低減する方法、及び炉水中の放射性核種の濃度を低減する方法が様々検討されている。
【０００８】
このような方法の一つとして、亜鉛などの金属イオンを炉水中に共存させ、炉水と接触する配管の内面及び構造物の表面に、亜鉛を含む緻密な酸化皮膜を形成することによって、この酸化皮膜中へのコバルト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特開昭５８−７９１９６号公報に記載されている。
【０００９】
また、特許第３３４４６０８号公報には、亜鉛溶解槽内の水溶液中に炭酸ガスを導入して炭酸ガスで飽和した水溶液を生成し、亜鉛溶解槽内のこの水溶液に亜鉛（例えば、酸化亜鉛）を供給してこの亜鉛を炭酸ガスで飽和した水溶液に溶解させること記載している。生成された、亜鉛イオンを含む水溶液がＲＰＶ内に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５８−７９１９６号公報
【特許文献２】特許第３３４４６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
亜鉛イオンを作製しようとする場合、亜鉛の塩及び亜鉛化合物或いは亜鉛金属を酸及びアルカリで溶解する方法がある。いずれの場合も亜鉛イオンと反対の電荷を持つ対アニオン或いは対カチオンも炉水に持ち込まれることになるため、炉水及び構成部材への影響が少ない化学形態が望まれる。そのような化学形態の一つとして特許第３３４４６０８号公報では炭酸水を用いて亜鉛化合物（例えば、酸化亜鉛粉末）を溶解して亜鉛イオンを作製している。
【００１２】
特許第３３４４６０８号公報に記載された亜鉛注入方法では、亜鉛溶解槽内で生成した炭酸ガスで飽和した水溶液に亜鉛を溶解し、亜鉛イオンを含む水溶液を生成しているため、その水溶液に含まれる亜鉛の濃度が低くなる。亜鉛濃度の低い水溶液をＲＰＶの炉水に注入した場合には、例えば、炉内構造物の表面及びＲＰＶに接続された配管内面への放射性核種の付着を抑制する効果が小さくなる。
【００１３】
本発明の目的は、原子炉圧力容器内に注入する、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液の亜鉛イオン濃度をさらに増加することができる亜鉛注入方法及び亜鉛注入装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、炭酸ガス溶解領域内に存在する炭酸水溶液に炭酸ガスを注入してこの炭酸ガスを炭酸水溶液に溶解し、炭酸ガス溶解領域内の炭酸水溶液を、炭酸ガス溶解領域、及び亜鉛を含む固体物質が存在する亜鉛溶解領域を含む閉ループ内を循環させ、固体物質に含まれる亜鉛を、亜鉛溶解領域内において、その循環によって炭酸ガス溶解領域から亜鉛溶解領域に供給される炭酸水溶液に溶解し、溶解した亜鉛を含む炭酸水溶液をその循環によって炭酸ガス溶解領域に供給し、炭酸ガス溶解領域内の、亜鉛を含む炭酸水溶液を、原子炉圧力容器に接続された配管を通して原子炉圧力容器に供給することことにある。
【００１５】
亜鉛を含む炭酸水溶液を、炭酸ガス溶解領域及び亜鉛溶解領域を含む閉ループ内を循環させるため、亜鉛溶解領域を通過するたびに、固体物質に含まれる亜鉛が炭酸水溶液に溶解し、炭酸水溶液の亜鉛イオン濃度をさらに増加させることができる。このため、原子炉圧力容器内の炉水の亜鉛イオン濃度も、より短時間で増加させることができる。
【００１６】
好ましくは、炭酸水溶液の亜鉛濃度が設定亜鉛濃度よりも小さいときに亜鉛溶解領域に供給される炭酸水溶液の第１流速は、炭酸水溶液の亜鉛濃度が設定亜鉛濃度になったときに亜鉛溶解領域に供給される炭酸水溶液の第２流速よりも速くすることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、原子炉圧力容器内に注入する、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液の亜鉛イオン濃度をさらに増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の亜鉛注入方法に用いられる亜鉛注入装置の構成図である。
【図２】図１に示す亜鉛注入装置を用いた、沸騰水型原子力プラントにおける原子炉圧力容器内への亜鉛イオン注入方法の説明図である。
【図３】炭酸飽和溶解水における亜鉛溶解濃度とｐＨの関係を示す説明図である。
【図４】炭酸水の線流速と酸化亜鉛の表面に形成される、炭酸水の拡散層の厚みの関係を示す特性図である。
【図５】炭酸水による酸化亜鉛の溶解時間と亜鉛濃度の関係を示す特性図である。
【図６】炭酸飽和水における亜鉛濃度と導電率の関係を示す特性図である。
【図７】本発明の他の好適な実施例である実施例２の亜鉛注入方法に用いられる亜鉛注入装置の構成図である。
【図８】本発明の他の好適な実施例である実施例３の亜鉛注入方法に用いられる亜鉛注入装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
特許第３３４４６０８号公報では、前述したように、炭酸水を用いて亜鉛化合物（例えば、酸化亜鉛粉末）を溶解して亜鉛イオンを作製している。炭酸ガスを亜鉛溶解槽の底部から亜鉛溶解槽内の水中にバブリングして炭酸水を生成し、同じ亜鉛溶解槽に亜鉛化合物を添加して撹拌することによって亜鉛化合物を溶解し、亜鉛イオンを生成することができる。亜鉛化合物が添加された水中に炭酸ガスをバブリングすると、式（１）、式（２）及び式（３）で表される炭酸イオンの平衡反応が生じる。
【００２０】
ＣＯ2(ｇ)＝ＣＯ2(ａｑ)  ；  ＫH＝[ＣＯ2(ａｑ)]／ＰCO2＝０．０３４（２５℃で）                  ……（１）
ＣＯ2(ａｑ)＋Ｈ2Ｏ＝ＨＣＯ3-＋Ｈ+  ；  Ｋ1＝[ＨＣＯ3-][Ｈ+]／[ＣＯ2(ａｑ)]＝４．４５×１０-7              ……（２）
ＨＣＯ3-＝ＣＯ32-＋Ｈ+  ；  Ｋ2＝[ＣＯ32-][Ｈ+]／[ＨＣＯ3-]＝４．６９×１０-11                    ……（３）
これら三つの平衡式に加え水のイオン積［Ｈ+］［ＯＨ-］＝１０-14、全圧１０１．３ｋＰａ、及び２５℃の水の水蒸気圧８．４４ｋＰａを用いて、式（４）の電荷均衡式を解くと、ｐＨは３．９１となる。
【００２１】
[ＯＨ-]＋[ＨＣＯ3-]＋２[ＣＯ32-]＝[Ｈ+]            ……（４）
この炭酸水に亜鉛を溶解させると式（５）から式（９）で表される亜鉛イオンの各平衡反応が加わることになる。
【００２２】
Ｚｎ2+＋ＯＨ-＝Ｚｎ(ＯＨ)+  ；  ＫZn1＝[Ｚｎ（ＯＨ）+]／([Ｚｎ2+][ＯＨ−])＝２．０４×１０6                ……（５）
Ｚｎ2+＋２ＯＨ-＝Ｚｎ(ＯＨ)2  ；  ＫZn2＝[Ｚｎ(ＯＨ)2]／([Ｚｎ2+][ＯＨ-]2)＝１．５５×１０11                ……（６）
Ｚｎ2+＋３ＯＨ-＝Ｚｎ(ＯＨ)3-  ；  ＫZn3＝[Ｚｎ(ＯＨ)3-]／([Ｚｎ2+][ＯＨ-]3)＝２．０４×１０14                ……（７）
[Ｚｎ2+]＋[ＣＯ32-]＝[ＺｎＣＯ3]  ；  ＫZnC＝[ＺｎＣＯ3]／([Ｚｎ2+][ＣＯ32-]）)２．００×１０3               ……（８）
[Ｚｎ2+]＋[ＨＣＯ3-]＝[ＺｎＨＣＯ3+]  ；  ＫZnHC＝[ＺｎＨＣＯ3+]／([Ｚｎ2+][ＨＣＯ3-])＝７．０８              ……（９）
亜鉛を加えた電荷均衡式及び亜鉛の質量均衡式を以下に示す。
【００２３】
[Ｚｎ]T＝[Ｚｎ2+]＋[Ｚｎ(ＯＨ)+]＋[Ｚｎ(ＯＨ)2]＋[ＺｎＣＯ3]＋[ＺｎＨＣＯ3+]                              ……（１０）
[Ｈ+]＋２[Ｚｎ2+]＋[Ｚｎ(ＯＨ)+]＋[ＺｎＨＣＯ3+]＝[ＯＨ-]＋[ＨＣＯ3-]＋２[ＣＯ32-]                          ……（１１）
式（１）から式（１１）を用いて亜鉛全濃度[Ｚｎ]TとｐＨの関係を求めた結果を図３に示す。図３に基づけば、亜鉛の溶解が進んで濃度が上昇するとｐＨも上昇することが分かる。この亜鉛濃度は亜鉛の飽和溶解濃度であり、実際の溶液中の亜鉛濃度との差分を駆動力として、亜鉛の溶解速度は次式の固体の溶解速度を表すNernst-Noyes-Whitney’s式で表すことができる。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
ここで、ｃは溶質濃度（ｐｐｍ）、ｔは溶解時間（ｈ）、Ａは溶質表面積（ｃｍ２）、Ｄは拡散係数（ｃｍ２／ｈ）、ｃsは溶質飽和濃度（ｐｐｍ）、Ｖは溶解液量（ｃｍ３）、δは拡散層厚み（ｃｍ）である。
【００２６】
溶解液量Ｖは溶解装置の大きさで決まり、溶質表面積Ａは装置に仕込む亜鉛を含む固体物質の量で決まる値である。拡散係数Ｄは飽和溶質濃度ｃsと同様に、温度や固体物質の種類によって決まる値である。一方、拡散層厚みδは亜鉛を含む固体物質に形成される炭酸水の拡散層厚みであり、固体物質と炭酸水の相対速度が速いほど薄くなるという性質がある。
【００２７】
発明者らはこの関係を実験により求め、図４に示す結果を得た。図４から分かるように、炭酸水の流速が速くなると、亜鉛を含む固体物質の表面に形成される拡散層厚みが急激に薄くなり、ある程度の流速以上ではその減少率が鈍くなっている。流速５５００ｃｍ／ｈでその固体物質の表面に形成される拡散層厚みは流速１２４ｃｍ／ｈでその固体物質の表面に形成される拡散層厚みに比較して約１／３になる。式（１２）に基づけば、亜鉛を含む固体物質の溶解速度も３倍になることが分かる。これを利用すると、炭酸水の亜鉛濃度が低い場合は炭酸水の流速を速くし、その亜鉛濃度が上昇して来たらその流速を遅くするという運用が可能になる。
【００２８】
亜鉛によるＣｏ−６０付着抑制効果は、炉水の亜鉛濃度が２〜１０ｐｐｂのときに生じる。この効果を得るためには、例えば、１１０万ｋＷクラスのＢＷＲプラントにおいて０．２ｐｐｂ程度の、給水の亜鉛濃度が必要になる。原子炉圧力容器に供給される給水流量は約６４００ｔ／ｈであるため、給水への亜鉛の注入速度は１．３ｇ／ｈとなる。１つの運転サイクルを１年としたとき、この運転サイクルで使用する亜鉛の量は１１．４ｋｇとなり、亜鉛を酸化亜鉛により供給する場合には必要な酸化亜鉛の量は１４．２ｋｇとなる。原子力プラントの定期検査の期間中において、その量以上の酸化亜鉛を亜鉛溶解装置の亜鉛溶解槽内に充填しておけば、原料である酸化亜鉛を、原子力プラントの運転中において溶解槽内に供給する必要はない。
【００２９】
以上に述べた検討結果を反映した本発明の実施例を、以下に説明する。
【実施例１】
【００３０】
本発明の好適な一実施例である実施例１の亜鉛注入方法を、図１及び図２を用いて説明する。本実施例の亜鉛注入方法は、沸騰水型原子力プラント（以下、ＢＷＲプラントという）に適用される。
【００３１】
まず、本実施例の亜鉛注入方法が適用されるこのＢＷＲプラントの概略構成を、図２を用いて説明する。ＢＷＲプラントは、原子炉２６、タービン３４、復水器３５、再循環系、原子炉浄化系及び給水系等を備えている。原子炉格納容器３２内に設置された原子炉２６は、炉心２８を内蔵する原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）２７を有し、ＲＰＶ２７内にジェットポンプ２９を設置している。炉心２８には複数の燃料集合体（図示せず）が装荷されている。各燃料集合体は、核燃料物質で製造された複数の燃料ペレットを充填した複数の燃料棒を含んでいる。再循環系は再循環ポンプ３０及びステンレス鋼製の再循環系配管３１を有し、再循環ポンプ３０が再循環系配管３１に設置されている。給水系は、復水器３５とＲＰＶ２７を連絡する給水配管３６に、復水器３５からＲＰＶ２７に向かって、復水ポンプ３７、復水浄化装置３８、低圧給水加熱器４０、給水ポンプ３９及び高圧給水加熱器４１をこの順に設置して構成される。水素注入装置４９が、復水器３５と復水ポンプ３７の間で給水配管３６に接続されている。原子炉水浄化系は、再循環系配管３１と給水配管３６を連絡する浄化系配管４３に、浄化系ポンプ４５，再生熱交換器４６，非再生熱交換器４７及び炉水浄化装置４８を設置して構成される。浄化系配管４３は、再循環ポンプ３０より上流で再循環系配管３１に接続される。
【００３２】
ＲＰＶ２７内の冷却水（以下、炉水という）は、再循環ポンプ３０で昇圧され、再循環系配管３１を通ってジェットポンプ２９のノズル（図示せず）からジェットポンプ２９のベルマウス（図示せず）内に噴出される。ノズルの周囲に存在する炉水も、ノズルから噴出される噴出流の作用により、ベルマウス内に吸引される。ジェットポンプ２９から吐出された炉水は、炉心２８に供給され、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。加熱された炉水の一部が蒸気になる。この蒸気は、ＲＰＶ２７から主蒸気配管３３を通ってタービン３４に導かれ、タービン３４を回転させる。タービン３４に連結された発電機（図示せず）が回転され、電力が発生する。タービン３４から排出された蒸気は、復水器３５で凝縮され、水になる。
【００３３】
この水は、給水として、給水配管３６を通りＲＰＶ２７内に供給される。給水配管３６を流れる給水は、復水ポンプ３７で昇圧され、復水浄化装置３８で不純物が除去され、給水ポンプ３９でさらに昇圧され、低圧給水加熱器４０及び高圧給水加熱器４１で加熱される。抽気配管４２で主蒸気配管３３，タービン３４から抽気された抽気蒸気が、低圧給水加熱器３９及び高圧給水加熱器４１にそれぞれ供給され、給水の加熱源となる。
【００３４】
給水として炉心に持ち込まれた水は核燃料物質の核分裂に伴って発生する放射線の照射を受けて放射線分解を起こし、過酸化水素及びや酸素などの酸化性化学種を生ずる。この酸化性化学種によって炉水と接触する構成部材の腐食電位が上昇する。このため、応力腐食割れに対する環境緩和対策として水素注入装置４９から給水に水素を注入して、この水素と酸化剤を反応させることで酸化剤濃度を低減させて腐食電位を下げる運転が行われている。この給水に水素を注入しながら行う運転を水素注入水質運転（ＨＷＣ：Hydrogen Water Chemistry）、水素注入を行わない従来の運転を通常水質運転（ＮＷＣ：Normal Water Chemistry）と呼んでいる。水素注入による腐食電位低下運転は運転中継続することが望ましいが、中断される場合があり、この時に腐食電位の高い状態となる。
【００３５】
再循環系配管３１内を流れる炉水の一部は、浄化系ポンプ４５の駆動によって浄化系配管４３内に流入し、浄化装置４８で浄化される。浄化された炉水は、浄化系配管４３及び給水配管３６を経てＲＰＶ２７内に戻される。
【００３６】
ＢＷＲプラントは、一つの運転サイクルでの運転が終了した後に停止される。この運転停止後に、ＢＷＲプラントに対して定期検査が実施される。この定期検査が終了した後、ＢＷＲプラントが再度起動される。この定期検査の期間中において、炉心２８内の一部の燃料集合体が新燃料集合体と交換される。すなわち、炉心２８内の一部の燃料集合体が、使用済燃料集合体としてＲＰＶ２７から取り出され、燃焼度ゼロの新たな燃料集合体が炉心２８に装荷される。
【００３７】
本実施例の亜鉛注入方法に用いられる亜鉛注入装置１は、復水浄化装置３８と低圧給水加熱器４０の間の給水配管３６に亜鉛注入配管２１を介して接続される。亜鉛注入装置１の詳細を、図１を用いて説明する。亜鉛注入装置１は、内部に亜鉛溶解領域を形成する亜鉛溶解槽（第２溶解槽）２、内部に炭酸ガス溶解領域を形成する炭酸ガス溶解槽（第１溶解槽）４、及び炭酸ガス供給装置１３を有する。炭酸ガス溶解槽４の底部に一端部が接続される配管７の他端部が、亜鉛溶解槽２の底部に接続される。配管８の一端部が亜鉛溶解槽２の頂部に接続され、配管８の他端部が炭酸ガス溶解槽４の頂部に接続される。炭酸ガス溶解槽４、配管７、亜鉛溶解槽２及び配管８によって、閉ループが形成される。循環ポンプ６及び流量計１２が配管７に設けられる。水位計１０及び導電率計１１が炭酸ガス溶解槽４に設けられる。
【００３８】
亜鉛溶解槽２の内部には亜鉛を含む粒状の固体を充填する。この粒状の固形物は循環ポンプ６で昇圧された炭酸水溶液２４の流れで容易に流動しない大きさとする。そのような固形物としては例えば酸化亜鉛の円柱状焼結体（直径１ｃｍ、高さ１ｃｍ）または金属亜鉛球（直径１ｃｍ）などがある。
【００３９】
炭酸ガス供給装置１３は、散気管５、炭酸ガス供給管１５及び炭酸ガスボンベ１４を有する。散気管５は、多数の噴出孔が形成され、炭酸ガス溶解槽４内の底部に配置される。炭酸ガス供給管１５は、散気管５及び炭酸ガスボンベ１４に接続される。バルブ１６が炭酸ガス供給管１５に設けられる。
【００４０】
亜鉛注入配管２１が、循環ポンプ６の上流で配管７に接続され、さらに、給水配管３６に接続される。注入ポンプ２０及び流量計２２が亜鉛注入配管２１に設けられる。制御装置２３が、信号線により、水位計１０、導電率計１１及び流量計１２及び２２に接続される。
【００４１】
亜鉛注入装置１を用いた本実施例の亜鉛注入方法を、以下に具体的に説明する。
【００４２】
制御装置２３から出力される制御指令に基づいてポンプ１８が駆動され、補給水が補給水源１７から補給水配管１９を通して炭酸ガス溶解槽４に供給される。水位計１０計測された水位信号が制御装置２３に入力される。制御装置２３が、水位計１０からの水位信号に基づいて炭酸ガス溶解槽７が満水になったと判定したとき、制御装置２３がポンプ１８の駆動を停止し、補給水の炭酸ガス溶解槽４への供給が停止される。
【００４３】
炭酸ガス溶解槽４が満水になった後、制御装置２３はバルブ１６を開く。炭酸ガスボンベ１４内の炭酸ガスが、炭酸ガス供給配管１５を通って散気管５に供給され、散気管５から炭酸ガス溶解槽４の水中に放出される。放出された炭酸ガスは炭酸ガス溶解槽４内の水に溶解する。この水に溶解しなかった炭酸ガスは、炭酸ガス溶解槽４内を上昇して炭酸ガス溶解槽４からベント配管９に放出される。
【００４４】
炭酸ガス溶解槽４に供給された炭酸ガスは、式（１）の反応により、水との界面から水に溶解し、ＣＯ2（ａｑ）となる。続いて、式（２）及び式（３）の平衡反応が生じ、炭酸水素イオン（ＨＣＯ3-）及び炭酸イオン（ＣＯ32-）が生じる。炭酸ガス溶解槽４の圧力は大気圧（１０１．３ｋＰａ）であり、気相部には炭酸ガスの他、２５℃での飽和水蒸気８．４４ｋＰａが含まれる。炭酸ガス溶解水のｐＨは式（１）から式（３）の平衡定数と式（４）の関係を使って計算すると、炭酸ガスの水への溶解が平衡に達したときには炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４のｐＨが３．９１になる。
【００４５】
炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４のｐＨの低下に伴ってその炭酸水溶液２４の導電率は上昇する。このｐＨが飽和炭酸水のｐＨ３．９１に近づいてくると、炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４の導電率の上昇が飽和する。この導電率の上昇が飽和したことは、例えば、１０分以上、炭酸ガス溶解槽４内で生成された炭酸水溶液２４の導電率が上昇傾向を示さなくなったことをもって判定される。
【００４６】
導電率計１１は炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４の導電率を計測する。制御装置２３は、導電率計１１で計測された導電率を入力し、入力した導電率に基づいて炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４の導電率の上昇が飽和したと判定したとき、ポンプ６に駆動開始信号を出力する。これにより、ポンプ６が駆動され、炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４が、配管７を通って亜鉛溶解槽２に供給される。
【００４７】
ＢＷＲプラントの一つの運転サイクルでの消費量以上、例えば、３０ｋｇ以上の酸化亜鉛ペレット（亜鉛を含む固体物質）３が、亜鉛溶解槽２内に予め充填されている。酸化亜鉛の替わりとして炭酸亜鉛、塩基性炭酸亜鉛、及び金属亜鉛のいずれかを用いることも可能である。酸化亜鉛ペレット３は、亜鉛溶解槽２内で上昇する炭酸水溶液２４の流速では浮遊しない程度の大きさとする。このため、酸化亜鉛ペレット３の大きさは、例えば、粒径５ｍｍ以上とする。これは、亜鉛溶解槽２内に予め充填する酸化亜鉛が微細な粉末である場合には、この酸化亜鉛が、炭酸水溶液２４の流れに乗って、溶解しない状態のまま、配管８、及び亜鉛注入配管２１を通って給水配管３６に注入される。このため、溶解しない酸化亜鉛によって亜鉛注入配管２１に目詰まりが生じる恐れがあり、さらに、ＲＰＶ２７内の炉水の亜鉛濃度を管理する上でも好ましくない。
【００４８】
炭酸ガス溶解槽４から亜鉛溶解槽２内に供給された炭酸水溶液２４は、亜鉛溶解槽２内で、充填された多数の酸化亜鉛ペレット３の相互間を酸化亜鉛ペレット３に接触しながら上昇する。上昇する低いｐＨの炭酸水溶液２４が酸化亜鉛ペレット３を溶解し、酸化亜鉛ペレット３に含まれる亜鉛がイオンとなって炭酸水溶液２４内に溶出する。この時の酸化亜鉛ペレット３の溶解反応は、式（１３）で表される。
【００４９】
ＺｎＯ＋Ｈ+＋Ｈ2Ｏ  ＝  Ｚｎ2+＋２ＯＨ-          ……（１３）
この結果、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液（亜鉛イオンを含む注入水）２４が亜鉛溶解槽１内で生成される。この亜鉛イオンを含む炭酸水溶液では、式（４）から式（９）の平衡関係が成立し、電荷均衡式である式（１０）及び亜鉛の質量均衡式である式（１１）が成立する。式（１）から式（１１）の関係式を用いることにより、図３に示すような炭酸水溶液の亜鉛全濃度［Ｚｎ］Ｔと炭酸水溶液のｐＨの関係が求められる。
【００５０】
亜鉛溶解槽２内における亜鉛の溶出によって亜鉛溶解槽２内の炭酸水溶液２４のｐＨが、図３に示すように、中性側に変化し、炭酸水溶液２４への亜鉛の溶出度合いが抑制される。亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、亜鉛溶解槽２の頂部から配管８に排出され、配管８を通って炭酸ガス溶解槽４に供給される。炭酸ガス溶解槽４に供給された亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４と混合され、循環ポンプ６で昇圧されて配管７を通して亜鉛溶解槽２に導入される。この亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、亜鉛溶解槽２内で酸化亜鉛ペレット３に接触し、前述したように、酸化亜鉛ペレット３に含まれる亜鉛がイオンとなってその炭酸水溶液２４に溶出する。このため、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の亜鉛イオンの濃度が増加する。
【００５１】
亜鉛溶解槽２内の亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、炭酸ガス溶解槽４、配管７、亜鉛溶解槽２及び配管８によって形成される閉ループ内を循環する。このような亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の循環により、この炭酸水溶液２４の亜鉛イオン濃度は、酸化亜鉛ペレット３が充填された亜鉛溶解槽２内を炭酸水溶液２４が通過するたびに、増加する。閉ループ内を循環する炭酸水溶液２４の亜鉛イオンの濃度は、やがて、飽和濃度に到達する。炭酸水溶液２４を、酸化亜鉛ペレット３を充填した亜鉛溶解槽２を含む上記の閉ループ内で循環させることによって、亜鉛イオンの濃度が飽和濃度付近まで上昇した炭酸水溶液２４を容易に得ることができる。
【００５２】
発明者らは、このときの酸化亜鉛ペレット３から炭酸水溶液２４に溶解する亜鉛の溶解速度を、図１に示す構成を有する試験装置を用いて検討した。この試験装置は、図１に示された亜鉛注入装置１を小型化したものである。使用する水の量が１０リットル、亜鉛溶解槽に充填される酸化亜鉛ペレットが７７０ｇである。さらに、この試験装置では、亜鉛注入装置１に設けられる、ポンプ１８を設置している補給水配管１９、及び注入ポンプ２０を設置している亜鉛注入配管２１が除去されている。
【００５３】
炭酸ガス溶解槽内の水の温度を３０℃にして炭酸ガスを散気管からその水の中にバブリングし、炭酸ガス溶解槽内で炭酸水溶液を生成した。炭酸水溶液の導電率の上昇が飽和したところで、循環ポンプを駆動して炭酸ガス溶解槽内の炭酸水溶液を、酸化亜鉛ペレットが充填された亜鉛溶解槽に供給した。この時における亜鉛溶解槽への炭酸水溶液の供給時間と炭酸水溶液の亜鉛濃度の関係を図５に示す。図５の特性に基づけば、亜鉛溶解槽への炭酸水溶液の供給を開始した時点から約２０時間を経過したときに、亜鉛溶解槽内の炭酸水溶液の亜鉛濃度が飽和濃度に到達していることが分かる。図５に示された菱形のプロット（実験値）と式（１２）に基づいて、溶解した亜鉛の拡散速度係数Ｄ、酸化亜鉛ペレットの表面に形成された拡散層厚みδ、亜鉛の飽和溶解度ｃｓをフィッティングで求め、これらの値を用いて計算した亜鉛濃度の経時変化を図５に実線で示した。
【００５４】
同様の実験を炭酸水溶液の流速を変化させて行い、求めた拡散層の厚みδと炭酸水溶液の流速の関係を求めた。この結果、炭酸水溶液の流速が変化すると、拡散層の厚みδが図４に示すように変化した。この図４によれば、炭酸水溶液の流速が速くなると拡散層の厚みδが薄くなり、式（１２）から拡散層の厚みδが薄くなるほど亜鉛の溶解速度が速くなることが分かる。例えば、炭酸水溶液の流速が５５００ｃｍ／ｈであるときの拡散層の厚み０．０３４ｃｍに比べてその流速が１２４ｃｍ／ｈであるときの拡散層の厚みは０．１１ｃｍと約３倍になる。この結果、炭酸水溶液の流速が１２４ｃｍ／ｈであるときの亜鉛の溶解速度は、炭酸水溶液の流速が５５００ｃｍ／ｈであるときの亜鉛の溶解速度の１／３に低下する。従って、酸化亜鉛ペレットに接触する炭酸水溶液の流速が速いほどこの炭酸水溶液の亜鉛濃度が早く飽和溶解度に到達することになる。亜鉛濃度が飽和溶解度付近に到達してしまえば、循環ポンプ６の回転速度を下げて亜鉛溶解槽内における炭酸水溶液の流速を下げ、循環ポンプ６の負荷を減らすことが望ましい。
【００５５】
亜鉛注入装置１を用いた本実施例の亜鉛注入方法を、図４及び図５に示された特性を用いて更に説明する。亜鉛注入装置１の閉ループ内を循環する炭酸水溶液２４の総量を２００ｋｇとし、その炭酸水溶液２４の線流速を５５００ｃｍ／ｈとした場合、炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が約１０時間で飽和溶解度に近い３５０ｐｐｍに到達する。そこで、制御装置２３は、導電率計１１で計測された導電率に基づいて、炭酸ガスをバブリングしている炭酸水溶液２４の炭酸濃度が炭酸飽和濃度に到達したと判定したとき、亜鉛溶解槽２内の炭酸水溶液２４の線流速が５５００ｃｍ／ｈになるように、循環ポンプ６を駆動する。
【００５６】
発明者らが実験によって求めた、炭酸が飽和した炭酸水溶液２４中の亜鉛濃度とその炭酸水溶液２４の導電率の関係を示す特性を、図６に示す。図６に示されたこの特性は制御装置２３のメモリ（図示せず）に予め記憶されている。制御装置２３は、導電率計１１で計測した炭酸水溶液２４の導電率を用いてその炭酸水溶液２４の亜鉛濃度を求め、この亜鉛濃度が例えば３５０ｐｐｍに到達したときに、循環ポンプ６の回転数を制御して亜鉛溶解槽２を流れる炭酸水溶液２４の流速を例えば１２４ｃｍ／ｈまで低下させる。亜鉛溶解槽２内での亜鉛の溶解初期では亜鉛を早く炭酸水溶液２４に溶解した方が、ＲＰＶ２７内への亜鉛注入が早期にできるので好ましい。しかし、一旦、炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が飽和溶解度になるとその後は線流速を下げて亜鉛の溶解速度を落として、循環ポンプ６の駆動電力を節約することが望ましい。
【００５７】
制御装置２３は、炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が３５０ｐｐｍに到達したと判定したとき、注入ポンプ２０の起動信号を出力する。注入ポンプ２０は、この起動信号により起動される。注入ポンプ２０が起動すると、炭酸ガス溶解槽４から排出された、亜鉛濃度が３５０ｐｐｍである炭酸水溶液２４が、亜鉛注入配管２１を通して給水配管３６に注入される。亜鉛濃度３５０ｐｐｍの炭酸水溶液２４は、給水配管３６内を流れる給水に混入される。更に、制御装置２３は、注入する炭酸水溶液２４の亜鉛濃度及び給水配管３６内を流れる給水の流量（給水流量）に基づいてＲＰＶ２７に供給される給水の亜鉛濃度が所定の値、例えば０．２ｐｐｂ（設定亜鉛濃度）になるように、給水配管３６への炭酸水溶液２４の注入量を制御する。１１０万ｋＷのＢＷＲプラントでは給水流量が６４００ｔ／ｈであるので、制御装置２３は、注入する炭酸水溶液２４の亜鉛濃度、給水流量及び設定亜鉛濃度に基づいて、亜鉛濃度３５０ｐｐｍの炭酸水溶液２４の注入量を３．５ｋｇ／ｈと算出し、炭酸水溶液２４の注入量がこの値になるように注入ポンプ２０の回転速度を制御する。炭酸水溶液２４中では、亜鉛はイオン状になっている。
【００５８】
給水配管３６内に注入された亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は給水配管３６内で給水に混合され、この亜鉛イオンを含む給水が、ＲＰＶ２７に供給される。給水に含まれた亜鉛イオンはＲＰＶ２７内で炉水に混入される。亜鉛イオンを含む炉水が、ＲＰＶ２７内を循環し、ＲＰＶ２７に接続された配管（例えば、再循環系配管３１及び浄化系配管４３等）内を流れる。亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の給水配管３６への注入が継続して行われると、炭酸ガス溶解槽４内の水位が低下する。このため、補給水源１７から炭酸ガス溶解槽４内に水が補給される。例えば、水位計１０で計測された、炭酸ガス溶解槽４の水位を入力した制御装置２３は、この水位に基づいて、炭酸ガス溶解槽４の水位が炭酸ガス溶解槽４の保有水量２００ｋｇのうち一割が給水配管３６に注入された状態における炭酸ガス溶解槽４の下限設定水位まで低下したと判定したとき、ポンプ１８の起動信号を出力する。ポンプ１８が起動され、補給水源１７の水が補給水配管１９を通して炭酸ガス溶解槽４に供給される。制御装置２３は、補給水の供給により、水位計１０で計測された水位が満水状態を示す上限設定水位に達したと判定したとき、ポンプ１４の停止信号を出力する。このとき、ポンプ１８の駆動が停止される。
【００５９】
補給水の炭酸ガス溶解槽４への供給により、炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が下がり、炭酸水溶液２４の導電率も低下する。制御装置２３は、導電率計１１で計測した導電率に基づいて求めた、炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が、亜鉛の飽和濃度の、例えば、２０％減の２８０ｐｐｍを下回ったと判定したとき、循環ポンプ６の回転速度を増加させる。亜鉛溶解槽２内を上昇する炭酸水溶液２４の線流速が５５００ｃｍ／ｈに速められ、炭酸水溶液２４の亜鉛イオン濃度が亜鉛の飽和濃度に到達するまでに要する時間が短縮される。炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が亜鉛の飽和濃度よりも低い期間では、給水に注入される炭酸水溶液２４の亜鉛濃度を０．２ｐｐｂに維持できるように、制御装置２３が注入ポンプ２０の駆動を制御し、注入速度を上げて炭酸水溶液２４の注入量を増やすことで対応する。例えば、炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が２８０ｐｐｍの場合には、制御装置２３は、給水配管３６への炭酸水溶液２４の注入量を４．６ｋｇ／ｈと算出し、炭酸水溶液２４の注入量がこの値になるようにポンプ２０の駆動を制御する。
【００６０】
なお、流量計１２で計測された、亜鉛溶解槽２に供給される炭酸水溶液２４の流量は、制御装置２３に入力される。制御装置２３は、炭酸水溶液２４の亜鉛の飽和濃度に対応した、亜鉛溶解槽２に供給される炭酸水溶液２４の流量（設定流量）を記憶しており、流量流量計１２から入力した流量に基づいて亜鉛溶解槽２に供給される炭酸水溶液２４の流量が設定流量になったかを確認する。また、流量計２２で計測された流量も制御装置２３に入力される。制御装置２３は、流量計２２から入力した流量、及び導電率計１１で計測した導電率を用いて求めた炭酸水溶液２４の亜鉛濃度に基づいて、注入ポンプ２０の回転速度を調節し、給水配管３６に注入する亜鉛を含む炭酸水溶液の注入量を制御する。
【００６１】
このように、本実施例では炭酸ガス溶解槽４内での炭酸ガスの溶解、亜鉛溶解槽２内での炭酸水溶液２４による亜鉛の溶解、及び亜鉛イオンを溶解した炭酸水溶液２４の炭酸ガス溶解槽４及び亜鉛溶解槽２への再循環により、亜鉛濃度が亜鉛の飽和濃度に近い、亜鉛を含む炭酸水溶液２４を作成し、この亜鉛含有炭酸水溶液を給水に注入し、この注入によって減少した水量を補うため水を炭酸ガス溶解槽４に補給するという亜鉛注入装置１の運転が、ＢＷＲプラントの１つの運転サイクルにおいて繰り返されることで、亜鉛イオンを含む給水がＲＰＶ２７に供給される。
【００６２】
本実施例では、３５０ｐｐｍの亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４を３．５ｋｇ／ｈで給水に注入しているが、これは１．２ｇ／ｈの亜鉛イオンの供給速度に相当する。１つの運転サイクルを１００００ｈとすると、亜鉛を含む固体物質の消費量は、亜鉛で１２ｋｇ、酸化亜鉛では１５ｋｇとなる。本実施例では３０ｋｇの酸化亜鉛ペレット３がＢＷＲプラント起動前の定期検査中に亜鉛溶解槽２へ供給されているので、プラント運転中は亜鉛イオンの原料を補給する必要はなく、プラント運転中は亜鉛注入装置１を連続して運転することが可能である。
【００６３】
本実施例は、亜鉛注入装置１で上記したように生成された亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４を給水配管３６に注入し、亜鉛イオンを含む給水をＲＰＶ２７内の炉水に供給するので、再循環系配管３１及び浄化系配管４３等の炉水の流れる配管の内面への放射性コバルトの付着量を低減することができる。このため、定期検査の作業時における従事者の放射線被ばくを低減することができる。
【００６４】
本実施例によれば、炭酸ガス溶解槽４内の炭酸水溶液２４を、酸化亜鉛ペレット３を充填した亜鉛溶解槽２及び炭酸ガス溶解槽４を含む閉ループ内で循環させるので、亜鉛イオンを含みＲＰＶ２７に注入される炭酸水溶液（注入水）２４の亜鉛イオン濃度を高くすることができる。このため、ＲＰＶ２７内の炉水の亜鉛イオン濃度をより短時間で増加させることができる。
【００６５】
本実施例では、炭酸ガス溶解槽４から配管７を通して亜鉛溶解槽２に供給する炭酸水溶液２４の流速を調節することができるので、炭酸水溶液２４の亜鉛イオン濃度を設定亜鉛イオン濃度まで高めるのに要する時間を短くすることができる。また、炭酸水溶液２４の亜鉛イオン濃度が設定亜鉛イオン濃度に増加した後では、亜鉛溶解槽２内の炭酸水溶液２４の流速が遅くなるように調節することができる。これによって、炭酸ガス溶解槽４から亜鉛溶解槽２に炭酸水溶液２４を供給するポンプ６の負荷を低減することができ、ポンプ６で消費する電力を少なくすることができる。
【００６６】
本実施例では、炭酸ガスの溶解と亜鉛の溶解を別々の溶解槽で行っているので、すなわち、炭酸ガス溶解槽４において炭酸ガスの溶解により炭酸水溶液２４を生成し、亜鉛溶解槽２においてこの炭酸水溶液２４を用いて亜鉛を溶解するので、炭酸ガスの溶解により生成される炭酸水溶液２４の炭酸濃度の調節を容易に行うことができ、所定濃度の亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の生成を容易に行うことができる。
【００６７】
本実施例は、炭酸ガス溶解槽４に導電率計１１を設置しているので、導電率計１１の導電率計測値に基づいて炭酸ガス溶解槽４内で生成された炭酸水溶液２４の炭酸濃度を容易に確認することができる。設定炭酸濃度になった炭酸水溶液２４を酸化亜鉛ペレット３が充填された亜鉛溶解槽２に供給することができ、亜鉛溶解槽２内での亜鉛の溶解を効率良く行うことができる。また、本実施例では、その導電率計１１の導電率計測値に基づいて炭酸水溶液２４の亜鉛イオン濃度を求めるので、炭酸水溶液２４の亜鉛イオン濃度を精度良く求めることができる。このため、ＲＰＶ２７内の炉水に注入する亜鉛イオン濃度を所定濃度に調節することができる。導電率計１１の計測値は、炭酸水溶液２４の炭酸濃度及び亜鉛濃度の算出に利用することができる。
【００６８】
所定濃度の亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４を給水に注水しながら、炭酸ガス溶解槽４に補給水を供給して炭酸水溶液２４を亜鉛溶解槽２に供給するので、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の給水への注水を、継続して行いことができる。
【００６９】
本実施例では、炭酸ガスの炭酸ガス溶解槽４への注入、停止の判定、炭酸水溶液の亜鉛濃度の判定、亜鉛溶解槽２に供給される炭酸水溶液２４の流速の調節、及び給水配管３６への亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の注入量の制御、補給水の供給及び停止の制御、及びバルブ１６の制御を制御装置２３で行っていたが、これらの制御操作の一部または全てを運転員が行うことも可能である。しかし、運転員の負担軽減の観点からは出来るだけ制御装置２３を用いて行うことが望ましい。
【００７０】
亜鉛注入装置１を給水配管３６ではなく浄化装置４８よりも下流で浄化系配管４３に接続し、亜鉛注入装置１で生成された亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４を浄化装置４８よりも下流の浄化系配管４３に注入しても良い。浄化装置４８よりも下流の浄化系配管４３に注入された、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、給水配管３６を経てＲＰＶ２７内に供給される。
【実施例２】
【００７１】
本発明の他の好適な実施例である実施例２の亜鉛注入方法を、図７を用いて説明する。本実施例の亜鉛注入方法は、沸騰水型原子力プラント（以下、ＢＷＲプラントという）に適用される。
【００７２】
本実施例の亜鉛注入方法に用いられる亜鉛注入装置１Ａを、図２を用いて説明する。亜鉛注入装置１Ａは、本質的には、実施例１に用いられる亜鉛注入装置１において亜鉛溶解槽２及び炭酸ガス溶解槽４を一体化した溶解槽２５を有している。循環ポンプ６及び流量計１２が設けられた配管７の一端部が溶解槽２５の底部に接続され、配管７の他端部が溶解槽２５の頂部に接続される。溶解槽２５は亜鉛溶解槽２と炭酸溶解槽４を一体化した構成を有し、溶解槽２５内には酸化亜鉛ペレット３が充填される亜鉛溶解領域５２、及び亜鉛溶解領域５２の下方に位置する溶液貯留領域５０が形成される。配管７の他端部は亜鉛溶解領域５２の上方で溶解槽２５に接続される。補給水配管１９が亜鉛溶解領域５２の上方で溶解槽２５に連絡される。圧力計５１が排気バルブ（図示せず）を設けた配管により溶解槽２５に接続される。炭酸ガス供給装置１３の替りに設置した炭酸ガス供給装置１３Ａは、散気管５を有していなく、炭酸ガス供給配管１５及び炭酸ガスボンベ１４を有する。亜鉛注入装置１Ａの他の構成は前述の亜鉛注入装置１と同じである。溶液貯留領域５０が実施例１における炭酸ガス溶解槽４に該当し、亜鉛溶解領域５２が実施例１における亜鉛溶解槽２に該当する。炭酸ガス供給配管１５は、溶解槽２５に接続され、溶解槽２５内で溶液貯留領域５０と亜鉛溶解領域５２の間に形成される空間に連絡される。
【００７３】
亜鉛注入装置１Ａを用いた本実施例の亜鉛注入方法を以下に説明する。制御装置２３Ａがバルブ１６の開信号を出力する。この開信号の出力によってバルブ１６が開いて炭酸ガスボンベ１４内の炭酸ガスが炭酸ガス供給配管１５を通して溶解槽２５内に注入される。この炭酸ガスは、溶解槽２５内において亜鉛溶解領域５２内の酸化亜鉛ペレット３相互間にも充填される。炭酸ガスの溶解槽２５内への充填後、上記の排気バルブは制御装置２３Ａから出力された閉信号によって閉じられる。制御装置２３Ａは、圧力計５１で計測した溶解槽２５内の圧力が、設定圧力である大気圧よりも高い値、例えば１．５気圧になったとき、閉信号の出力によりバルブ１６を閉める。バルブ１６を閉めた時点では溶液貯留領域５０に水が存在しないので、注入された１．５気圧の炭酸ガスは、溶液貯留領域５０及び亜鉛溶解領域５２を含む溶解槽２５内の全域に存在する。
【００７４】
バルブ１６が閉じられた後、制御装置２３Ａがポンプ１８に起動信号を出力する。ポンプ１８が駆動し、補給水源１７から水が補給水配管１９を通して溶解槽槽２５内に供給される。補給水配管１９から供給された水は、溶解槽槽２５内で頂部に設けられて補給水配管１９に接続された噴射ノズル（図示せず）から亜鉛溶解領域５２に向かってシャワー状に噴射される。噴射された水は、亜鉛溶解領域５２内の酸化亜鉛ペレット３に降り注がれ、亜鉛溶解領域５２の上端部に存在する各酸化亜鉛ペレット３の表面に水膜を形成する。溶解槽槽２５内に先に充填した炭酸ガスがそれらの酸化亜鉛ペレット３の表面に形成された水膜に溶解し、各水膜のｐＨが低下する。水膜のｐＨの低下により酸化亜鉛ペレット３の表面が溶解し始める。噴射ノズルから水の噴射が継続されている関係上、この水膜は、気相中の炭酸ガス及び酸化亜鉛ペレット３に含まれる亜鉛を溶解しながら、各酸化亜鉛ペレット３の表面を伝って亜鉛溶解領域５２の下端に向かって流下する。やがて、炭酸ガス及び亜鉛を溶解した水膜が、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４となって、亜鉛溶解領域５２から溶液貯留領域５０に落下する。循環ポンプ及び注入ポンプ２０が駆動されていないため、落下した亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、溶液貯留領域５０に蓄えられる。
【００７５】
水位計１０で計測された溶液貯留領域５０内の水位が制御装置２３Ａに入力され、制御装置２３Ａがその計測された水位が溶液貯留領域５０における満水状態の上限設定水位になったと判定したとき、制御装置２３Ａが、ポンプ１８を停止させ、補給水配管１９から溶解槽２５への水の供給を停止させる。溶液貯留領域５０において満水状態になったとき、溶液貯留領域５０に形成される、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の液面と亜鉛溶解領域５２の下端の間に空間が形成される。
【００７６】
溶解槽２５内の、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の液面が上限設定水位になったとき、制御装置２３は循環ポンプ６を起動する。溶液貯留領域５０内の亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４が、循環ポンプ６の起動によって昇圧され、配管７を通って溶解槽２５の頂部の噴射ノズルに導かれる。亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４が、噴射ノズルから、亜鉛溶解領域５２の上端に位置している各酸化亜鉛ペレット３に向かってシャワー状に噴射される。噴射された亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４が、亜鉛溶解領域５２内の各酸化亜鉛ペレット３の表面を伝わって下降しながら、亜鉛溶解領域５２の気相部に存在する炭酸ガスを溶解し、酸化亜鉛ペレット３に含まれる亜鉛を溶解する。炭酸及び亜鉛のそれぞれの濃度が増加しながら各酸化亜鉛ペレット３の表面を伝わって下降する亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、亜鉛溶解領域５２から溶液貯留領域５０に向かって落下する。溶液貯留領域５０に落下する亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の亜鉛濃度は、噴射ノズルから噴射される亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の亜鉛濃度よりも増加している。
【００７７】
溶液貯留領域５０内の亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、循環ポンプ６によって配管７内での線流速が５５００ｃｍ／ｈになるように流れる。このため、噴射ノズルから噴射されて各酸化亜鉛ペレット３の表面に沿って亜鉛溶解領域５２内を下降する亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の下降速度も増加し、それだけ、酸化亜鉛ペレット３から亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４への亜鉛の溶解速度が増加する。
【００７８】
亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４は、循環ポンプ６の駆動により、溶解槽２５内の溶液貯留領域５０、配管７、溶解槽２５内の亜鉛溶解領域５２及び溶解槽２５内の溶液貯留領域５０を含む閉ループ内を循環する。亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４のそのような循環が継続されることによって、亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が増加する。その炭酸水溶液２４の循環が継続されると、上記したように溶解槽２５内の炭酸ガスが亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４に溶解するため、溶解槽２５内の圧力が徐々に低下する。
【００７９】
制御装置２３は、入力する、圧力計５１で計測した圧力が例えば１．２気圧になったときに、バルブ１６を開く。炭酸ガスが炭酸ガスボンベ１４から炭酸ガス供給配管１５を通って溶解槽２５内に供給され、制御装置２３は溶解槽２５内の圧力が１．５気圧に維持されるように、バルブ１６の開度を制御する。
【００８０】
上記の閉ループ内での亜鉛を含む炭酸水溶液２４の循環が継続して行われると、溶液貯留領域５０内に存在する亜鉛を含む炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が増加し、この炭酸水溶液２４の導電率が上昇する。炭酸水溶液２４の導電率の計測は導電率計１１で行われ、計測された導電率が制御装置２３に入力される。制御装置２３は、入力した導電率を用いて溶液貯留領域５０内の炭酸水溶液２４の亜鉛濃度を求め、この亜鉛濃度が飽和濃度、例えば３５０ｐｐｍに到達したとき、循環ポンプ６の回転速度を低下させる。これにより、配管７内を流れる炭酸水溶液２４の流速が例えば１２４ｃｍ／ｈまで低下され、亜鉛溶解領域５２内で酸化亜鉛ペレット３の表面に沿って下降する亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の流速が遅くなる。それだけ、酸化亜鉛ペレット３から亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４への亜鉛の溶解速度が減少する。
【００８１】
さらに、溶液貯留領域５０内の炭酸水溶液２４の亜鉛濃度が３５０ｐｐｍになったとき、制御装置２３は、注入ポンプ２０を起動する。亜鉛濃度が３５０ｐｐｍになっている、溶液貯留領域５０内の炭酸水溶液２４は、注入ポンプ２０で昇圧され、亜鉛注入配管２１を通って給水配管３６内を流れる給水に注入される。亜鉛イオンを含む給水が給水配管３６よりＲＰＶ２７内に供給される。制御装置２３は、実施例１と同様に、注入する炭酸水溶液２４の亜鉛濃度、給水流量及び設定亜鉛濃度に基づいて、亜鉛濃度３５０ｐｐｍの炭酸水溶液２４の給水配管３６への注入量を算出し、炭酸水溶液２４の注入量が算出した値になるように注入ポンプ２０の回転速度を制御する。
【００８２】
溶液貯留領域５０内の亜鉛イオンを含む炭酸水溶液２４の給水配管３６への注入によって、溶液貯留領域５０内の水位が下限設定水位まで低下したときには、実施例１と同様に、補給水を補給水配管１９を通して溶解槽２５内に供給することにより、溶液貯留領域５０内の水位が上限設定水位まで回復される。
【００８３】
本実施例は実施例１で生じる効果のうち、炭酸ガスの溶解と亜鉛の溶解を別々の溶解槽で行っていることにより得られる効果を除いて、残りの各効果を得ることができる。実施例１における各効果の説明における、炭酸ガス溶解槽４は本実施例では溶液貯留領域５０に相当し、亜鉛溶解槽２は亜鉛溶解領域５２に相当している。
【００８４】
本実施例では、亜鉛溶解領域５２及び溶液貯留領域５０を溶解槽２５内に配置しているので、実施例１において亜鉛溶解槽２と炭酸ガス溶解槽４を連絡する配管８が不要になる。さらに、本実施例では、炭酸ガスの溶解槽２５への注入口が気相になっており、散気管５が設置されていない。本実施例では、炭酸ガスを水中に吹き込んでいないので、炭酸ガスの水への溶解効率が低くなるが、亜鉛溶解領域５２に充填した酸化亜鉛ペレット３をラヒシリングの代わりとして使用することができ、気液接触面積を拡大することができる。このため、炭酸ガスの水への溶解効率の低下を抑制することができる。
【実施例３】
【００８５】
本発明の他の好適な実施例である実施例３の亜鉛注入方法を、図８を用いて説明する。本実施例の亜鉛注入方法は、沸騰水型原子力プラント（以下、ＢＷＲプラントという）に適用される。
【００８６】
本実施例の亜鉛注入方法に用いられる亜鉛注入装置１Ｂを、図８を用いて説明する。亜鉛注入装置１Ｂは、実施例２で用いられる亜鉛注入装置１Ａに実施例１で用いられる亜鉛注入装置１における散気管５を溶液貯留領域５０内の底部に配置し、この散気管５に炭酸ガス供給装置１３Ａの炭酸ガス供給配管１５を接続した構成を有する。亜鉛注入装置１Ｂの他の構成は亜鉛注入装置１Ａと同じである。溶解槽（第３溶解槽）２５は実施例１における亜鉛溶解槽２及び炭酸ガス溶解槽４を一体化した構成である。
【００８７】
本実施例では、実施例１と同様に、炭酸ガスを散気管５から炭酸水溶液２４にバブリングさせて炭酸ガスを炭酸水溶液２４に溶解させる。本実施例では、散気管５から放出した炭酸ガスの炭酸水溶液２４への溶解は溶液貯留領域５０内で行われる。本実施例における溶液貯留領域５０は、炭酸水溶液２４への炭酸ガスの溶解を行う炭酸ガス溶解領域である。実施例２の亜鉛注入方法で生じる各作用は、本実施例でも生じる。本実施例では、散気管５から放出されて溶液貯留領域５０内の炭酸水溶液２４に溶解しきれなかった炭酸ガスは、溶液貯留領域５０の液面上方まで上昇し、亜鉛溶解領域５２内で各酸化亜鉛ペレット３の表面を伝って下降する炭酸水溶液２４に溶解される。
【００８８】
溶液貯留領域５０内の亜鉛濃度３５０ｐｐｍの炭酸水溶液２４は、注入ポンプ２０の駆動によって給水配管３６内を流れる給水に注入され、ＲＰＶ２７内の炉水に混入される。
【００８９】
本実施例は、実施例２で生じる各効果を得ることができる。
【００９０】
実施例１ないし３は、加圧水型原子力プラントに適用することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１，１Ａ，１Ｂ…亜鉛注入装置、２…亜鉛溶解槽、３…酸化亜鉛ペレット、４…炭酸ガス溶解槽、５…散気管、６…循環ポンプ、７，８…配管、１０…水位計、１１…導電率計、１３…炭酸ガス供給装置、１４…炭酸ガスボンベ、１９…補給水配管、２０…注入ポンプ、２１…亜鉛注入配管、２３，２３Ａ…制御装置、２６…原子炉、２７…原子炉圧力容器、２８…炉心、３１…再循環系配管、３３…主蒸気配管、３４…タービン、３５…復水器、３６…給水配管、３９…給水ポンプ、４９…水素注入装置、５０…溶液貯留領域、５１…圧力計、５２…亜鉛溶解領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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