(57)【要約】【課題】超高温ガス炉(VHTR)、高温ガス炉(HTR)、ガス冷却高速炉(GFR)において、冷却材ヘリウム中の化学的不純物濃度を最適化することにより、原子炉冷却材バウンダリ構成機器に使用する耐熱材料ハステロイＸＲの腐食を防止して長寿命化させる方法を提供することを課題とする。【解決手段】冷却材純化設備に設置される酸化銅反応筒の温度制御を行って冷却材ヘリウム中の一酸化炭素の酸化量を調整することより、耐熱材料ハステロイＸＲの腐食が最小となる一酸化炭素濃度幅に入るように操作して材料寿命を延ばすことを特徴とするものである。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉冷却材バウンダリを構成する機器に使用する耐熱材料ハステロイＸＲの腐食が最小となるように、冷却材ヘリウム中の化学的不純物の濃度幅を設定し、能動的にその幅の中に入るように不純物濃度を操作することにより材料寿命を延ばす方法。
【請求項２】
冷却材純化設備に設置される酸化銅反応筒の温度制御を行って冷却材ヘリウム中の一酸化炭素の酸化量を調整することにより、一酸化炭素濃度を操作することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
冷却材冷却設備、酸化銅反応筒、入口加熱器及び一酸化炭素濃度制御システムを備えた原子炉の冷却に使用された冷却材ヘリウムの純化設備において、前記冷却材ヘリウムを前記冷却設備で冷却後、前記加熱器及び酸化銅反応筒に導入して冷却材ヘリウム中の一酸化炭素不純物の濃度調整を行う際に、前記冷却設備で冷却された冷却材ヘリウム中の一酸化炭素不純物濃度を測定し、その濃度情報信号を前記制御システムに導入し、その測定濃度が予め設定した最適温度範囲内であるか否かを制御システム内で判断し、一酸化炭素濃度が設定した濃度範囲に満たない場合は、制御システムから前記加熱器のヒーターの加熱量を下げる信号を発信して加熱温度を下げ、前記酸化銅反応筒での一酸化炭素の酸化量を低減させ、一方、一酸化炭素が設定した濃度範囲を超える場合は、制御システムから前記ヒーターの加熱量を上げる信号を発信してその加熱温度を上げ、酸化銅反応筒での一酸化炭素の酸化量を増大させることにより、冷却材ヘリウム中の一酸化炭素不純物濃度変化を監視し、その濃度を前記設定濃度幅に入るように制御することからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記加熱器のヒーターにより下げられる温度がこのヒーターを切ることによって下げられるヒーター入口温度までであり、前記加熱器のヒーターにより上げられる温度が原子炉圧力容器の最高使用温度までである、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウムを冷却材として用いた超高温ガス炉(VHTR)、高温ガス炉(HTR)、ガス冷却高速炉(GFR)における冷却材ヘリウム中の不純物濃度操作による冷却材バウンダリ機器材料の長寿命化に関する。
【０００２】
冷却材バウンダリ機器とは、原子炉を包んでいる原子炉圧力容器や炉心を冷やすための冷却材が通る配管などの1次冷却材を囲む環境との境界となる容器・配管の総称であり、炉型によっては冷却器やタービン等もバウンダリを構成する機器も含まれる。
【背景技術】
【０００３】
冷却材にヘリウムを用いた超高温ガス炉(VHTR)、高温ガス炉(HTR)、ガス冷却高速炉(GFR)では、系外からの混入及び原子炉内の放射線分解により、冷却材ヘリウム中には微量のメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水、酸素、窒素等の化学的不純物が含まれ、これら不純物は冷却材バウンダリ機器の構成材料として使用される耐熱材料の腐食に関与して構造劣化を引き起こし、機器材料の寿命に大きな影響を与える。
【０００４】
このため、従来は腐食を低減するために、冷却材純化設備を配設してこれら不純物を強制的に除去し、上限値濃度以下に抑える受動的手法がとられていた。又、高温ガス炉の開発に関する動向と材料については、冷却材中の不純物に起因する腐蝕現象における概要が記載されている（非特許文献１）。又、高温ガス炉の安全性については、高温ガス炉における１次冷却中の不純物測定による純度管理に関して記載されている（非特許文献２）。
【非特許文献１】日本鉄鋼協会発行、「日本鉄鋼協会西山記念技術講座、高温ガス炉開発の動向と材料」
【非特許文献２】高温ガス炉の安全性、平成１４年１２月１８日、第２回安全研究報告
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヘリウムを冷却材とするガス炉の潜在的長所は、ヘリウムの化学的不活性に負うところが大きいが、実際のプラントでは系外からの混入及び原子炉内の放射線分解により冷却材ヘリウム中に微量不純物が存在し、この不純物が冷却材バウンダリとして使用される耐熱材料の表面に作用することにより機器材料の経年劣化を大きく支配している。
【０００６】
これに対し、従来は上限値濃度管理にて不純物を強制的に除去する方法がとられており、この方法は比較的小型のシステムで短期的な材料腐食の防止としては、除去する不純物も少ないため純化設備も小型で十分機能する。しかしながら、大型のシステムでは生じる不純物の量も多く、大規模の純化設備を定期的に保守していかなければ冷却材バウンダリ機器材料の劣化を長期的に防止することは不可能である。
【０００７】
一方、化学的不純物の中の一酸化炭素は、ある一定濃度を下回ると材料の脱炭を引き起こして材料寿命を縮めることになる。この場合、上限値濃度以下に抑える手法では対応できず、材料腐食が最小となる濃度幅を定めてその幅の中に入るように濃度管理する手法が望まれる。
【０００８】
そこで、本発明では超高温ガス炉(VHTR)、高温ガス炉(HTR)、ガス冷却高速炉(GFR)において、冷却材ヘリウム中の化学的不純物濃度を最適化することにより、原子炉冷却材バウンダリ構成機器に使用する耐熱材料の腐食を防止して長寿命化させる方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、原子炉冷却材バウンダリを構成する機器に使用する耐熱材料ハステロイＸＲの腐食が最小となるように、冷却材ヘリウム中の化学的不純物の濃度幅を設定し、能動的にその幅の中に入るように不純物濃度を操作することにより材料寿命を延ばす方法である。特に、一酸化炭素は、ハステロイＸＲの腐食に大きな影響を与えるものであり、冷却材純化設備に設置される酸化銅反応筒の温度制御を行って冷却材ヘリウム中の一酸化炭素の酸化量を調整することにより、当該材料の腐食が最小となる一酸化炭素濃度幅に入るように操作することで材料寿命を延ばすことが可能となる。
【００１０】
ハステロイXRは日本原子力研究開発機構が仕様を作り、三菱金属によって製品化された合金であり、次の成分組成の材料部材である。
【００１１】
【表１】
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【発明の効果】
【００１２】
本発明により、原子炉冷却材バウンダリ機器の寿命を左右する冷却材ヘリウム中の不純物濃度を最適化するため、バウンダリを構成する機器材料の腐食を防止でき、長寿命化が実現される。また、冷却材純化設備容量の低減による設備コンパクト化が可能となり設備コスト低減につながる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
超高温ガス炉(VHTR)、高温ガス炉(HTR)、ガス冷却高速炉(GFR)で冷却材にヘリウムを用いた場合、冷却材ヘリウム中には微量のメタン、一酸化炭素、二酸化炭素、水素、水等の化学的不純物が含まれる。これら化学的不純物は、熱平衡のみならず、炉心における放射線分解（ラジカル反応、イオン反応）の複雑な化学平衡状態を発生させる。
【００１４】
このような環境下に置かれた冷却材バウンダリ機器材料であるハステロイＸＲは、表面に不純物が作用して酸化、脱炭、浸炭などの腐食を引き起こし、寿命評価上重要なクリープ特性に影響が出る。
【００１５】
図１にハステロイＸＲの環境効果を示す。図の平面軸は冷却材中の不純物の組成、濃度から決まる酸素分圧と炭素活量で、その関係から平面を金属材料中のCrの酸化皮膜形成環境下での浸炭領域、脱炭領域、酸化領域に区分したものである。図中に示される棒グラフの高さが耐熱金属ハステロイＸＲのクリープ破断時間(高温950℃時)を示しており、この図から脱炭領域ではクリープ破断時間が著しく減少して材料の強度劣化が生じていることがわかる。また、浸炭領域ではクリープ破断時間は長いものの浸炭による脆化により材料強度は劣化している。従って、本例では同図中に示す設定領域が強度劣化を防止する不純物濃度範囲である。
【００１６】
図２にハステロイＸＲへの不純物の影響を示す。図の平面軸は図１と同様に酸素分圧と炭素活量で、平面を金属材料中のCrの酸化皮膜形成環境下での脱炭領域を区分したものである。図中に示される矢印は、各不純物の濃度が変化した場合に材料特性がどの領域に向かって変化するかを示している。括弧内のプラスは濃度が上昇する場合であり、マイナスは濃度が減少する場合である。一酸化炭素（CO）に着目すると、濃度が減少してマイナス側に動いた場合は、図中破線で示すように材料の脱炭領域に近づき、脱炭領域に入れば前述のとおりクリープ破断時間が著しく減少し、材料の強度劣化を引き起こして寿命を縮めることとなる。従って、ハステロイＸＲの劣化を防止して長寿命化するためには、不純物を上限値以下に抑えるのみならず、下限値を設け、化学的不純物の濃度幅を設定して管理する必要があり、特に一酸化炭素の濃度の管理が重要である。
【００１７】
冷却材ヘリウム中の不純物である一酸化炭素の本発明の濃度操作方法は、冷却材純化設備中の酸化銅反応筒の温度の制御による方法である。酸化銅反応筒は一酸化炭素及び水素を酸化させる機能を有しているが、酸化反応が起こるのは160〜180℃以上であり、280℃でほぼ100％反応する。従って、冷却材中の一酸化炭素濃度を検知して酸化銅反応筒に入る流体温度を制御すれば、一酸化炭素の酸化による二酸化炭素への転換量が調整でき、冷却材中の一酸化炭素濃度を一定範囲内に操作することが可能である。
【００１８】
本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。本発明の実施の形態は以下の例示に制限されるものではなく、多様な系統構成が可能である。図３に本発明の酸化銅反応筒の温度制御による一酸化炭素濃度操作方法を適用する場合の概念を示す。図の系統構成は冷却材純化設備のうち、本発明に係る部分のみを示している。
【００１９】
純化設備中、水素の酸化による水への転換、一酸化炭素の酸化による二酸化炭素への転換を目的として設置される酸化銅反応筒の上流側に加熱量変化が可能な入口加熱器を設置する。酸化銅反応筒入口部には温度計、１次冷却設備内には一酸化炭素濃度計を設け、これらの計測結果を取り込む一酸化炭素濃度制御システムを設置する。また、このシステムから入口加熱器のヒータ加熱量を自動操作できるように信号ラインを配設する。
【００２０】
この系統で一酸化炭素濃度を制御する場合、図３において１次冷却材中の一酸化炭素濃度の情報を信号で一酸化炭素濃度制御システムに送り、あらかじめ設定した最適濃度範囲内であるか否かをシステム内で判断する。不純物である一酸化炭素が設定した濃度範囲に満たない場合は、ヒータ加熱量を下げる信号を発信して160℃以下まで温度を下げ、酸化銅反応筒での一酸化炭素の酸化量を低減させる。一方、一酸化炭素が設定した濃度範囲を超える場合は加熱量を上げる信号を発信して280℃まで温度を上げ、酸化銅反応筒での一酸化炭素の酸化量を増大させる。温度の下降・上昇、一酸化炭素濃度変化は測定値信号をシステムに取り込むことで監視し、設定濃度幅に入るように温度制御する。
【００２１】
上記の方法にて酸化銅反応筒の加熱温度の制御を行い、一酸化炭素濃度を最適化することにより、冷却材バウンダリを構成する機器材料のハステロイＸＲの腐食が防止でき、強度劣化が抑制される。
【産業上の利用の可能性】
【００２２】
本発明の方法にて不純物濃度を最適濃度にバランス制御することにより、材料腐食が防止され、設備の長寿命化につながる。また、本方法を組み込んだ純化設備に見直すことで設備のコンパクト化が図られ、設備運用、建設コストを削減できる。即ち、従来ガス炉の冷却材純度管理に用いている各種トラップ（一般的な名称で言うと酸化銅や除湿剤やコールドトラップ等）について、これまで最大効率（約100%）で運用してきたものを、使用温度や流量を変えることで効率を操作し、不純物バランスを制御するように見直します。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は耐熱金属ハステロイXRの環境効果を示す図である。
【図２】図２は耐熱金属ハステロイXRへの不純物の影響を示す図である。
【図３】図３は酸化銅反応筒の温度制御による水素及び一酸化炭素濃度制御方法を適用する場合の概念を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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