(57)【要約】      （修正有）【課題】原子炉水からシリカを効率よく除去することができるシリカ除去方法を提供する。【解決手段】原子炉水からシリカを除去するシリカ除去方法であって、原子炉水を浄化する原子炉冷却材浄化系を構成するろ過脱塩装置に備えられたイオン交換樹脂を、シリカ吸着量がピークとなった時点で交換することにより、原子炉水からシリカを除去する。この場合、イオン交換樹脂に吸着したシリカを他の吸着力の強い陰イオンとの置換により再放出される前に除去することになるため、原子炉水からシリカを効率よく除去できる。従って、交換後、原子炉水のシリカ濃度の上昇が緩慢になり、次回交換が必要となる管理値に達するまでの時間が長くなることから、イオン交換樹脂の交換回数を、従来に比べて減らすことができる。【選択図】図３
2014202552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉水からシリカを除去するシリカ除去方法であって、
原子炉水を浄化する原子炉冷却材浄化系を構成するろ過脱塩装置に備えられたイオン交換樹脂を、シリカ吸着量がピークとなった時点で交換することにより、原子炉水からシリカを除去することを特徴とするシリカ除去方法。
【請求項２】
前記イオン交換樹脂のシリカ吸着量を、前記ろ過脱塩装置の入口水のシリカ濃度と、前記ろ過脱塩装置の出口水のシリカ濃度に基づいて、推定することを特徴とする請求項１に記載のシリカ除去方法。
【請求項３】
原子炉冷却材浄化系を構成するろ過脱塩装置に備えられたイオン交換樹脂脂のシリカ吸着量の推定方法であって、
原子炉に対するシリカの単位時間当たりの増減量に基づいて、原子炉水のシリカ濃度の変化を求める第一関係式と、
前記イオン交換樹脂へのシリカ吸着反応の平衡定数と、前記ろ過脱塩装置の入口水の水酸化物イオン濃度と、シリカ負荷量と、前記イオン交換樹脂の残り交換容量とに基づいて、前記ろ過脱塩装置の出口水のシリカ濃度を求める第二関係式と、
前記ろ過脱塩装置の入口水のシリカ濃度と、前記ろ過脱塩装置の出口水のシリカ濃度とに基づいて、前記イオン交換樹脂脂のシリカ吸着量の変化量を求める第三関係式を用いて、
前記イオン交換樹脂脂のシリカ吸着量を推定するシリカ吸着量の推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子力発電プラントの原子炉冷却材浄化系において、原子炉水に含まれるシリカを除去する方法及びその方法に係り、イオン交換樹脂のシリカ吸着量を推定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子力発電プラントでは、原子炉水に含まれるシリカを、ろ過脱塩装置のフィルタ表面のイオン交換樹脂に吸着させ取り除くことで、原子炉水のシリカ濃度を管理値以下に抑えている。これは、原子炉水中のシリカ濃度が高いと、応力腐食割れ等の構造材への悪影響が懸念されるためである（例えば、下記特許文献１のろ過脱塩装置１１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１０４０９５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
フィルタ表面のイオン交換樹脂の交換容量は、シリカ吸着量の増加に伴って減少することから、一般的には、図２に示すように、ろ過脱塩装置の出口における原子炉水のシリカ濃度が管理値に達するまではイオン交換樹脂（陰イオン交換樹脂及び陽イオン交換樹脂の混合樹脂）を使い続け、シリカ濃度が管理値に達した時点で、古くなったイオン交換樹脂を廃棄し新しいイオン交換樹脂と交換している。交換後、イオン交換樹脂がシリカを吸着することから、ろ過脱塩装置の出口における原子炉水のシリカ濃度は一旦下がる。その後、使用を続けると、ろ過脱塩装置の出口における原子炉水のシリカ濃度は次第に上昇してゆき、シリカ濃度が管理値に達した時点で、再びイオン交換樹脂を交換している。
【０００５】
ところで、イオン交換樹脂（陰イオン交換樹脂）に対する陰イオンの吸着力は、塩素（低）＜シリカ＜硝酸＜硫酸＜クロム酸（高）の順に低い。交換後、イオン交換樹脂には、他の陰イオンに比べて原子炉水に含まれる総量の多いシリカが一旦付着する。しかし、原子炉水に含まれるシリカ及びそれ以外の陰イオンを吸着することにより、イオン交換樹脂が総交換容量に達し、シリカ吸着量がピークに達すると、その後、一旦イオン交換樹脂に吸着していたシリカは、吸着力の高いクロム酸等の陰イオンに置換されて、原子炉水に再放出される（図１１参照）。
【０００６】
そのため、シリカ濃度が管理値に達した時点でイオン交換樹脂を交換する方法では、上記したシリカの再放出により、交換時点においてイオン交換樹脂のシリカ吸着量がピーク時よりも大きく減少してしまう場合があり、シリカを効率よく除去できないため、イオン交換樹脂の交換回数が増えてしまい、放射性廃棄物（交換により廃棄されるイオン交換樹脂）の量が増加するという問題があった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、原子炉水からシリカを効率よく除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、原子炉水からシリカを除去するシリカ除去方法であって、原子炉水を浄化する原子炉冷却材浄化系を構成するろ過脱塩装置に備えられたイオン交換樹脂を、シリカ吸着量がピークとなった時点で交換することにより、シリカを原子炉水から除去する。このようにすれば、シリカの再放出がない又は少ない分、一度のイオン交換樹脂の交換で、原子炉水からより多くのシリカを除去できるため、イオン交換樹脂の交換回数を減らすことができる。尚、ピーク（極大）とは、イオン交換樹脂が総交換容量（吸着飽和）に達する時の、シリカ吸着量を意味する。
【０００８】
本発明の実施態様として以下の構成が好ましい。
前記イオン交換樹脂のシリカ吸着量を、前記ろ過脱塩装置の入口水のシリカ濃度と、前記ろ過脱塩装置の出口水のシリカ濃度に基づいて推定する。このようにすれば、イオン交換樹脂のシリカ吸着量を直接測定できない場合でも、イオン交換樹脂のシリカ吸着量がピークとなるタイミングを特定できる。
【０００９】
本発明は、原子炉冷却材浄化系を構成するろ過脱塩装置に備えられたイオン交換樹脂脂のシリカ吸着量の推定方法であって、原子炉に対するシリカの単位時間当たりの増減量に基づいて、原子炉水のシリカ濃度の変化を求める第一関係式と、前記イオン交換樹脂へのシリカ吸着反応の平衡定数と、前記ろ過脱塩装置の入口水の水酸化物イオン濃度と、シリカ負荷量と、前記イオン交換樹脂の残り交換容量とに基づいて、前記ろ過脱塩装置の出口水のシリカ濃度を求める第二関係式と、前記ろ過脱塩装置の入口水のシリカ濃度と、前記ろ過脱塩装置の出口水のシリカ濃度と、に基づいて、前記イオン交換樹脂脂のシリカ吸着量の変化量を求める第三関係式を用いて、記イオン交換樹脂脂のシリカ吸着量を推定する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、原子炉水からシリカを効率よく除去することが出来る。これより、イオン交換樹脂の交換回数が減り、放射性廃棄物の発生量を減少させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に開示する沸騰水型原子炉の系統構成図
【図２】原子炉水のシリカ濃度が管理値に達した時点でイオン交換樹脂を交換する場合の、原子炉水のシリカ濃度の推移を示す図
【図３】イオン交換樹脂のシリカ吸着量がピークとなった時点でイオン交換樹脂を交換した場合の、原子炉水のシリカ濃度の推移を示す図
【図４】数式１を構成する各項の説明一覧を示す図
【図５】沸騰水型原子力発電プラントにおける水の循環を示すブロック図
【図６】数式２を構成する各項の説明一覧を示す図
【図７】数式３〜数式８を構成する各項の説明一覧を示す図
【図８】シミュレーション装置の電気的構成を示すブロック図
【図９】シミュレーションに必要な計算条件及び変数をまとめた表
【図１０】シミュレーションで得られる計算結果をまとめた表
【図１１】イオン交換樹脂に吸着されたシリカがクロム酸に置換される様子を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜一実施形態＞
本発明の一実施形態を図１ないし図１０によって説明する。
１．沸騰水型原子力発電プラントの系統構成
図１は、沸騰水型原子力発電プラントの系統構成図である。沸騰水型原子力発電プラントは、沸騰水型原子炉（以下、単に原子炉）１と、タービン２、復水器３、復水ろ過装置４、復水脱塩装置５、給水加熱器６から構成されている。そして、原子炉１で発生した水蒸気はタービン２に送られた後、復水器３で凝縮されて復水となると共に、復水ろ過装置４、復水脱塩装置５を通り浄化されて、給水加熱器６を経て給水として原子炉１に戻るように形成されている。尚、復水脱塩装置５には粒子状のイオン交換樹脂（陰イオン交換樹脂及び陽イオン交換樹脂）を有するフィルタが設けられていて、復水に含まれるシリカを吸着保持することにより、復水のシリカ濃度を抑える構成となっている。
【００１３】
また、原子炉冷却材浄化系（原子炉水を浄化させる浄化系）７は、プリコート型樹脂塔１２からなるろ過脱塩装置１１と、原子炉水をプリコート型樹脂塔１２に循環させる浄化ポンプ８を備えている。プリコート型樹脂塔１２は、原子炉水が循環するタンク内に複数のプリコートフィルタを植設したものである。プリコートフィルタは、円筒状のエレメントの外表面にイオン交換樹脂を貼付した構成となっている。尚、イオン交換樹脂は、粉末状の陰イオン交換樹脂と陽イオン交換樹脂を混合したイオン交換樹脂であり、陰イオン交換樹脂にてシリカを含む陰イオンを吸着し、陽イオン交換樹脂では主に陽イオンである放射能を吸着して除去し、原子炉水の純度を高く維持する構成となっている。
【００１４】
そのため、浄化ポンプ８を駆動して、原子炉水をプリコート型粉末混合樹脂塔１２に通すと、プリコートフィルタのイオン交換樹脂にシリカ等の不純物や放射能が吸着することから、原子炉水からシリカ等の不純物や放射能が取り除かれ、原子炉水は浄化された処理水になる。そして、この処理水は、上記した給水に合流して原子炉１に戻るシステムとなっている。なお、符号１３は、原子炉冷却材再循環系の再循環ポンプである。
【００１５】
２．原子炉水からのシリカ除去方法
本実施形態にて開示するシリカの除去方法では、原子炉水を浄化する原子炉冷却材浄化系７を構成する、ろ過脱塩装置１１のプリコート型樹脂塔１２に備えられたイオン交換樹脂を、シリカ吸着量がピークとなる時点で交換することにより、シリカを原子炉水から効率的に除去する。尚、ピーク（極大）とは、イオン交換樹脂が総交換容量（吸着飽和）に達する時点、もしくはその時点におけるシリカ吸着量を意味する。
【００１６】
この場合、シリカの再放出がない又は少ない分、原子炉水からより多くのシリカが除去される。従って、イオン交換樹脂の交換後、原子炉水のシリカ濃度の上昇が緩慢になることから、イオン交換樹脂の交換回数を、従来に比べて減らすことができる。
【００１７】
例えば、原子炉水のシリカ濃度が管理値に達した時点でイオン交換樹脂を交換した場合（従来ケース）、図２に示すように１年あたりの交換回数は７回となる。
【００１８】
これに対して、イオン交換樹脂のシリカ吸着量がピークとなる時点で交換した場合、原子炉水にシリカが多く含まれている初期には、原子炉水のシリカ濃度が管理値に達する前にイオン交換樹脂を交換することとなり、交換の間隔が短くなってしまう。
【００１９】
しかし、イオン交換樹脂を交換する都度、原子炉水のシリカ濃度の上昇が緩慢になりある程度交換を繰り返すと、原子炉水のシリカ濃度が管理値に達するまでの時間が長くなることから、図３に示すように１年あたりの交換回数は４回となる。従って、従来に比べて、イオン交換樹脂の交換回数を減らすことが可能となる。
【００２０】
ところで、ろ過脱塩装置１１は高い放射能を含むことから、イオン交換樹脂のシリカ吸着量を直接測定することが出来ないという事情がある。そこで、本実施形態では、イオン交換樹脂のシリカ吸着量を、ろ過脱塩装置１１の入口水のシリカ濃度（図１に示す点Ｐ１でのシリカ濃度）と、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度（図１に示す点Ｐ２でのシリカ濃度）に基づいて推定する。
【００２１】
具体的に説明を行うと、原子炉水にも、ろ過脱塩装置１１と同様に放射能が含まれているが、原子炉水に含まれる放射能は、ろ過脱塩装置１１に比べて低いため、シリカ濃度を測定することが出来る。そのため、ろ過脱塩装置１１の入口水のシリカ濃度と、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度をそれぞれ測定等により特定すれば、下記の数式１に基づいて、イオン交換樹脂へのシリカ吸着量の変化量（時間に対する変化量）を求めることが可能となる。尚、数式１の各項の説明は図４に示す。
【００２２】
【数１】
2014202552.tif 000003
【００２３】
従って、数式１より算出したシリカ吸着量の変化量を時間積分することで、イオン交換樹脂のシリカ吸着量を推定できる。
【００２４】
一方、シリカ吸着量のピークはイオン交換樹脂の総交換容量から、総交換容量に達する時点の他の陰イオンの吸着量を差し引くことで、求めることが出来る。尚、イオン交換樹脂に対する他の陰イオンの吸着量は、ろ過脱塩装置１１の出入口における各陰イオンの濃度から求めることが出来る他、実験値や経験値を用いることも可能である。また、イオン交換樹脂の総交換容量は、単位重量あたりのイオン交換樹脂（陰イオン交換樹脂）の交換容量と、イオン交換樹脂の重量とに基づいて算出することが出来る。
【００２５】
したがって、数式１より推定したシリカ吸着量をモル濃度に換算した数値（以下、シリカ負荷量）が、ピークに到達するまでイオン交換樹脂を使い続け、シリカ負荷量が、ピークに到達した時点で、イオン交換樹脂を交換すればよいことになる。
【００２６】
また、上記ではろ過脱塩装置１１の入口水及び出口水のシリカ濃度の測定値を利用して、イオン交換樹脂のシリカ吸着量を算出する例を説明したが、イオン交換樹脂のシリカ吸着量を、シリカ濃度の測定値を利用せずに、シミュレーションから求めることも可能である。
【００２７】
３．イオン交換樹脂のシリカ吸着量のシミュレーションによる推定方法
図５は、沸騰水型原子力発電プラントのうち、原子炉水のシリカ濃度の変化に関係する部分について、水の循環を示したブロック図である。
【００２８】
図５に示すように、原子炉１へのシリカの出入り（増減）には、給水を介して取り込まれる取込量Ｘ（下記数式２の右辺第１項）と、タービン２側に流出する主蒸気に含まれて出て行く流出量Ｙ（下記数式２の右辺第２項）と、ろ過脱塩装置１１にてイオン交換樹脂に吸着除去される吸着除去量Ｚ（下記数式２の右辺第３項）とがある。
【００２９】
そのため、下記の数式２に示すように、原子炉水のシリカ濃度の変化と原子炉水保有量の積（ΔＣＲＷ・Ｖ）は、原子炉１に対するシリカの単位時間当たりの増減量、具体的には給水を介して取り込まれる単位時間当たりの取込量Ｘから、タービン２側に出て行く単位時間当たりの流出量Ｙと、ろ過脱塩装置１１にてイオン交換樹脂に吸着除去される単位時間当たりの吸着除去量Ｚとを差し引いた量に等しい。尚、数式２が本発明の「第一関係式」に相当する。また、数式２の各項の説明は図６に示す。
【００３０】
【数２】
2014202552.tif 000004
【００３１】
また、数式３は、イオン交換樹脂のシリカ負荷量（シリカ吸着量をイオン交換樹脂あたりのモル当量に換算したもの）を求めた式である。数式４は、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度を、イオン交換樹脂へのシリカ吸着反応の平衡定数（数式４の右辺１項）、ろ過脱塩装置１１の入口水の水酸化物イオン濃度（数式４の右辺２項）、シリカ負荷量（数式４の右辺３項の分子）、およびイオン交換樹脂の残り交換容量（総交換容量からシリカを含む全ての陰イオンの負荷量を引いたもの：数式４の右辺３項の分母）とに基づいて、算出する式である。
【００３２】
また、数式５は、ろ過脱塩装置１１の入口水のシリカ濃度と出口水のシリカ濃度から、イオン交換樹脂のシリカ吸着量の変化量を算出した式である。尚、数式４が本発明の「第二関係式」の一例、数式５が本発明の「第三関係式」の一例である。
【００３３】
また、数式６〜数式９は、クロム酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン及び塩化物イオンの負荷量の増分を求める式である。また、数式３〜数式８の各項の説明は、図７に示す。
【００３４】
【数３】
2014202552.tif 000005
【００３５】
【数４】
2014202552.tif 000006
【００３６】
【数５】
2014202552.tif 000007
【００３７】
【数６】
2014202552.tif 000008
【００３８】
【数７】
2014202552.tif 000009
【００３９】
【数８】
2014202552.tif 000010
【００４０】
【数９】
2014202552.tif 000011
【００４１】
図８はシミュレーション装置５０のブロックである。シミュレーション装置５０は、演算部５１と、記憶部５３と、キーボードやマウス等の入力部５５、表示部５７を備える。記憶部５３には、上記した数式１〜数式９に基づいて、原子炉水のシリカ濃度、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度、イオン交換樹脂のシリカ吸着量を計算するシミュレーションソフトが格納されている。
【００４２】
そして、シミュレーションソフトの起動後、図９に示す各定数やパラメータ等の計算条件と、各変数の初期値を入力すると、演算部５１が各数式１〜数式９に基づいて、原子炉水のシリカ濃度、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度、イオン交換樹脂へのシリカ吸着量及びシリカ負荷量を自動計算し、その結果が表示部５７に表示される（図１０参照）。
【００４３】
尚、定数は、シミュレーションを実行するのに必要な計算条件のうち、数値が固定される条件であり、この例では、図９に示すように、給水流量、原子炉の保有水量、原子炉水の水酸化物イオン濃度、原子炉水のクロム酸イオン濃度、原子炉水の硫酸イオン濃度、原子炉水の硝酸イオン濃度、原子炉水の塩素イオン濃度、原子炉水のキャリーオーバー率、ろ過脱塩装置１１の浄化流量、イオン交換樹脂装荷量、イオン交換樹脂総交換容量、イオン交換樹脂のシリカ吸着反応の平衡定数を定数としている。また、パラメータはオペレータが適宜変更できる条件であり、この例では、図９に示すように、給水のシリカ濃度とイオン交換樹脂の交換日時をパラメータとしている。また、変数は、シミュレーションにより刻々と変化する値であり、この例では、原子炉水のシリカ濃度、イオン交換樹脂のクロム酸イオン負荷量、硫酸イオン負荷量、硝酸イオン負荷量、塩化物イオン負荷量、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度、イオン交換樹脂へのシリカ吸着量、負荷量である。
【００４４】
本実施形態では、原子炉水のシリカ濃度や、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度、イオン交換樹脂のシリカ吸着量をシミュレーションできる。そのため、沸騰水型原子力発電プラントの稼働前に、イオン交換樹脂の交換時期や、所定期間（この例では、１年）あたりの交換回数を推定することが可能となり、イオン交換樹脂の交換作業計画の作成に有効である。加えて、イオン交換樹脂のシリカ吸着量がピークとなる時点を推定することが可能となり、その時点でイオン交換樹脂の交換作業を実行することにより、原子炉水からシリカを効率よく除去できる。
【００４５】
４．効果説明
本実施形態では、原子炉水からシリカを効率よく除去できるため、イオン交換樹脂の交換回数を減らすことができる。よって、放射性廃棄物（交換により廃棄されるイオン交換樹脂）の量を低減出来る。
【００４６】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００４７】
（１）本発明は、イオン交換樹脂のシリカ吸着量がピークとなったところで、イオン交換樹脂を交換するものであればよく、例えば、イオン交換樹脂の交換後、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度と入口水のシリカ濃度が等しくなった時に、イオン交換樹脂を交換するようにしてもよい。というのも、イオン交換樹脂の交換後、イオン交換樹脂の交換容量が残っている間は、イオン交換樹脂がシリカを吸着し続けるため、ろ過脱塩装置１１の出口水のシリカ濃度は概ねゼロになる。そして、イオン交換樹脂の交換容量がなくなって、イオン交換樹脂がそれ以上、シリカを吸着できない状態になると、ろ過脱塩装置１１に取り込まれたシリカを含む炉水は、そのまま装置外に排出されることになる。従って、シリカ吸着量がピークになると、ろ過脱塩装置１１の出口水の濃度と入口水の濃度が概ね同じ濃度になるからである。
【符号の説明】
【００４８】
１...沸騰水型原子炉
２...タービン
３...復水器
４...復水ろ過装置
５...復水脱塩装置
６...給水加熱器
７...原子炉冷却材浄化系
８...浄化ポンプ
１１...ろ過脱塩装置
１２...プリコート型樹脂塔
【図１】
2014202552.tif 000012
【図２】
2014202552.tif 000013
【図３】
2014202552.tif 000014
【図４】
2014202552.tif 000015
【図５】
2014202552.tif 000016
【図６】
2014202552.tif 000017
【図７】
2014202552.tif 000018
【図８】
2014202552.tif 000019
【図９】
2014202552.tif 000020
【図１０】
2014202552.tif 000021
【図１１】
2014202552.tif 000022