(57)【要約】【課題】原子炉外の機器等の表面への放射性腐食生成物の移行・蓄積を抑制する。【解決手段】冷却材として水を用いる原子炉１０と、原子炉から供給される蒸気によって駆動されるタービン２１と、原子炉からタービンへ蒸気を導く蒸気配管２６と、タービンから排出された冷却材を再び原子炉へ戻す給水配管２３と、を有する原子力発電プラントであって、蒸気配管に酸化剤または還元剤を注入する注入装置３１を設ける。さらに、蒸気配管に腐食電位を測定する電位測定装置３４を設ける。注入装置の下流側に腐食生成物除去装置３５を設けるのもよい。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却材として水を用いる原子炉と、その原子炉から供給される蒸気によって駆動されるタービンと、前記原子炉から前記タービンへ蒸気を導く蒸気配管と、前記タービンから排出された冷却材を再び前記原子炉へ戻す給水配管と、を有する原子力発電プラントであって、
前記蒸気配管に酸化剤または還元剤の少なくとも一方を注入する注入装置を設けたこと、
を特徴とする原子力発電プラント。
【請求項２】
請求項１に記載の原子力発電プラントおいて、前記蒸気配管に腐食電位を測定する電位測定装置を設けたこと、を特徴とする原子力発電プラント。
【請求項３】
請求項１または２に記載の原子力発電プラントおいて、前記蒸気配管の前記注入装置の下流側に前記冷却材中の腐食生成物を除去する腐食生成物除去装置を設けたこと、を特徴とする原子力発電プラント。
【請求項４】
請求項３に記載の原子力発電プラントおいて、
前記腐食生成物除去装置内の腐食電位を測定する電位測定装置と、
前記腐食生成物除去装置内に放射性腐食生成物を選択的に蓄積させるように前記腐食生成物除去装置内の腐食電位を腐食生成物除去装置外より低く制御するべく前記注入装置から注入する酸化剤または還元剤の少なくとも一方の量を制御する手段と、
を有すること、を特徴とする原子力発電プラント。
【請求項５】
請求項３または４に記載の原子力発電プラントおいて、前記腐食生成物除去装置をはさんで前記蒸気配管の上流側と下流側に酸化剤を注入する酸化剤注入装置と還元剤を注入する還元剤注入装置とを設けたこと、
を特徴とする原子力発電プラント。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の原子力発電プラントにおいて、前記冷却材として水の一部が超臨界状態となっていること、を特徴とする原子力発電プラント。
【請求項７】
冷却材として水を用いる原子炉と、その原子炉から供給される蒸気によって駆動されるタービンと、前記原子炉から前記タービンへ蒸気を導く蒸気配管と、前記タービンから排出された冷却材を再び前記原子炉へ戻す給水配管と、を有する原子力発電プラントの運転方法であって、
前記蒸気配管に酸化剤または還元剤の少なくとも一方を注入し、前記タービンに流入する蒸気が、前記冷却材中の腐食生成物が溶けやすい状態に維持されるように、前記酸化剤または還元剤の注入量を制御すること、を特徴とする原子力発電プラントの運転方法。
【請求項８】
冷却材として水を用いる原子炉と、その原子炉から供給される蒸気によって駆動されるタービンと、前記原子炉から前記タービンへ蒸気を導く蒸気配管と、前記タービンから排出された冷却材を再び前記原子炉へ戻す給水配管と、を有する原子力発電プラントの運転方法であって、
前記蒸気配管に酸化剤または還元剤の少なくとも一方を注入し、前記蒸気配管を通る蒸気が前記タービンに流入する前に前記冷却材中の放射性腐食生成物を選択的に蓄積させるように前記酸化剤または還元剤の注入量を制御すること、を特徴とする原子力発電プラントの運転方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載の原子力発電プラントの運転方法において、前記蒸気配管における腐食電位を測定し、この腐食電位を所定の目標の範囲に近づけるべく前記酸化剤または還元剤の注入量を制御すること、を特徴とする原子力発電プラントの運転方法。
【請求項１０】
請求項７ないし９のいずれかに記載の原子力発電プラントの運転方法において、
あらかじめ腐食生成物の電位−ｐＨ関係を表す電位−ｐＨ関係特性を用意し、前記蒸気配管の各部位ごとの温度と腐食電位とｐＨの値を用いて、前記電位−ｐＨ関係特性に基いて腐食生成物の安定形態を推定し、それによって、前記蒸気配管の各部位のうちの目標とする部位の腐食電位を他の部位より低くして前記冷却材中の放射性腐食生成物が蓄積するように前記酸化剤または還元剤の注入量を制御すること、を特徴とする原子力発電プラントの運転方法。
【請求項１１】
請求項７ないし１０のいずれかに記載の原子力発電プラントの運転方法において、前記冷却材として水の一部が超臨界状態となっていること、を特徴とする原子力発電プラントの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却材として水を用いる原子炉で発生したエネルギーにより発電を行う原子力発電プラントおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の軽水炉は、冷却水を炉内で沸騰させ発生した水蒸気により発電を行う沸騰水型原子炉と、炉内を加圧状態に保ち、蒸気発生器にて発生した蒸気により発電を行う加圧水型の２種に大別される。いずれの型もエネルギー効率は３０数％で近年の超臨界火力発電の４０数％以上というエネルギー効率には劣る。これに対し、軽水炉においても温度を３７４℃の臨界点以上に高め、エネルギー効率を４０数％に高めた超臨界圧原子炉の開発が検討されている（例えば、特開平８−３１３６６４号公報参照）。
【０００３】
超臨界圧原子炉のうち原子炉冷却材で直接タービンを駆動するワンススルータイプでは放射性腐食生成物の一部が、原子炉外へ移行し機器表面の線量を高め、プラント運転員または定期検査時における作業員の被爆を引き起こす可能性がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
原子炉の冷却水中には機器を構成する金属材料から溶け出した微量の腐食生成物が存在する。この腐食生成物は燃料棒表面に付着して放射化された後再び放出され、放射性腐食生成物として冷却水中を浮遊している。超臨界圧原子炉のうち原子炉冷却材で直接タービンを駆動するワンススルータイプでは放射性腐食生成物の一部が、原子炉外へ移行し機器表面の線量を高め、プラント運転員または定期検査時における作業員の被爆を引き起こす可能性がある。
【０００５】
この腐食生成物をフィルタ等により物理的あるいは機械的に除去しようとした場合、圧力抵抗が生じプラントの効率を低下させる原因となる。本発明の目的はこのような課題を解決するものであって、原子炉外の機器または配管等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積を抑制することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、冷却材として水を用いる原子炉と、その原子炉から供給される蒸気によって駆動されるタービンと、前記原子炉から前記タービンへ蒸気を導く蒸気配管と、前記タービンから排出された冷却材を再び前記原子炉へ戻す給水配管と、を有する原子力発電プラントであって、前記蒸気配管に酸化剤または還元剤の少なくとも一方を注入する注入装置を設けたこと、を特徴とする。
【０００７】
請求項１の発明によれば、原子力発電プラントの目標とする場所を腐食生成物が析出し難い状態とすることにより、原子炉外の機器または配管等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積を抑制することができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の原子力発電プラントおいて、前記蒸気配管に腐食電位を測定する電位測定装置を設けたこと、を特徴とする。請求項２の発明によれば、請求項１の発明による作用・効果が得られるほか、さらに精度よく目標とする原子炉外の機器等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積を抑制することができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の原子力発電プラントおいて、前記蒸気配管の前記注入装置の下流側に前記冷却材中の腐食生成物を除去する腐食生成物除去装置を設けたこと、を特徴とする。請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明による作用・効果が得られるほか、原子炉外の機器等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積をさらに抑制することができる。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の原子力発電プラントおいて、前記腐食生成物除去装置内の腐食電位を測定する電位測定装置と、前記腐食生成物除去装置内に放射性腐食生成物を選択的に蓄積させるように前記腐食生成物除去装置内の腐食電位を腐食生成物除去装置外より低く制御するべく前記注入装置から注入する酸化剤または還元剤の少なくとも一方の量を制御する手段と、を有すること、を特徴とする。請求項４の発明によれば、請求項３の発明による作用・効果が得られるほか、原子炉外の機器等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積をさらに抑制することができる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の原子力発電プラントおいて、前記腐食生成物除去装置をはさんで前記蒸気配管の上流側と下流側に酸化剤を注入する酸化剤注入装置と還元剤を注入する還元剤注入装置とを設けたこと、を特徴とする。請求項５の発明によれば、請求項３または４の発明による作用・効果が得られるほか、原子炉外の機器等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積をさらに抑制することができる。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の原子力発電プラントにおいて、前記冷却材として水の一部が超臨界状態となっていること、を特徴とする。請求項６の発明によれば、請求項１ないし５のいずれかの発明による作用・効果が得られるほかに、次の効果がある。すなわち、超臨界圧炉では炉内に気液界面が存在せず、均一な流体としてタービン系へ移行するため、放射性腐食生成物がタービン系へ移行しやすいと考えられるが、本発明により、放射性物質によるタービン系機器の汚染が抑制され、安全な原子力プラントを提供できる。
【００１３】
また、請求項７に記載の発明は、冷却材として水を用いる原子炉と、その原子炉から供給される蒸気によって駆動されるタービンと、前記原子炉から前記タービンへ蒸気を導く蒸気配管と、前記タービンから排出された冷却材を再び前記原子炉へ戻す給水配管と、を有する原子力発電プラントの運転方法であって、前記蒸気配管に酸化剤または還元剤の少なくとも一方を注入し、前記タービンに流入する蒸気が、前記冷却材中の腐食生成物が溶けやすい状態に維持されるように、前記酸化剤または還元剤の注入量を制御すること、を特徴とする。
【００１４】
請求項７の発明によれば、原子力発電プラントの目標とする場所を腐食生成物が析出し難い状態とすることができ、原子炉外の機器または配管等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積を抑制することができる。
【００１５】
また、請求項８に記載の発明は、冷却材として水を用いる原子炉と、その原子炉から供給される蒸気によって駆動されるタービンと、前記原子炉から前記タービンへ蒸気を導く蒸気配管と、前記タービンから排出された冷却材を再び前記原子炉へ戻す給水配管と、を有する原子力発電プラントの運転方法であって、前記蒸気配管に酸化剤または還元剤の少なくとも一方を注入し、前記蒸気配管を通る蒸気が前記タービンに流入する前に前記冷却材中の放射性腐食生成物を選択的に蓄積させるように前記酸化剤または還元剤の注入量を制御すること、を特徴とする。
【００１６】
請求項８の発明によれば、原子力発電プラントの目標とする場所を腐食生成物が析出し難い状態とすることができ、原子炉外の機器等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積を抑制することができる。
【００１７】
また、請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の原子力発電プラントの運転方法において、前記蒸気配管における腐食電位を測定し、この腐食電位を所定の目標の範囲に近づけるべく前記酸化剤または還元剤の注入量を制御すること、を特徴とする。請求項９の発明によれば、請求項７または８の発明による作用・効果が得られるほか、さらに精度よく原子炉外の機器等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積をさらに抑制することができる。
【００１８】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項７ないし９のいずれかに記載の原子力発電プラントの運転方法において、あらかじめ腐食生成物の電位−ｐＨ関係を表す電位−ｐＨ関係特性を用意し、前記蒸気配管の各部位ごとの温度と腐食電位とｐＨの値を用いて、前記電位−ｐＨ関係特性に基いて腐食生成物の安定形態を推定し、それによって、前記蒸気配管の各部位のうちの目標とする部位の腐食電位を他の部位より低くして前記冷却材中の放射性腐食生成物が蓄積するように前記酸化剤または還元剤の注入量を制御すること、を特徴とする。請求項１０の発明によれば、請求項７ないし９のいずれかの発明による作用・効果が得られるほか、原子炉外の機器等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積をさらに抑制することができる。
【００１９】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項７ないし１０のいずれかに記載の原子力発電プラントの運転方法において、前記冷却材として水の一部が超臨界状態となっていること、を特徴とする。請求項１１の発明によれば、請求項７ないし１０のいずれかの発明による作用・効果が得られるほかに、次の効果がある。すなわち、超臨界圧炉では炉内に気液界面が存在せず、均一な流体としてタービン系へ移行するため、放射性腐食生成物がタービン系へ移行しやすいと考えられるが、本発明により、放射性物質によるタービン系機器の汚染が抑制され、安全な原子力発電プラントの運転方法を提供できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る原子力発電プラントの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、同一または類似の部分には共通の符号を付し、重複説明は省略する。
【００２１】
図１により、本発明に係る原子力発電プラントの第１の実施の形態を説明する。原子炉１０は原子炉圧力容器１１内に収容され、原子炉圧力容器１１内に、核燃料を装荷した炉心１２と、その反応を制御する制御棒１３が内包されている。また、図示の例では、炉心１２の外側を囲むように炉水滞留部１４が形成されている。炉心１２で発生した高温・高圧の蒸気は原子炉圧力容器１１を出て、蒸気配管２６を通って蒸気タービン２１へ送られる。
【００２２】
蒸気タービン２１では、蒸気の熱エネルギーがタービンの回転の仕事に変換され、発電機（図示せず）が回転して発電される。ここで、蒸気は熱エネルギーを放出し、さらに復水器２２で凝縮して復水になる。復水器２２を出た復水は復水浄化装置で浄化され、加圧ポンプ２５で加圧され、給水加熱器２４で加熱され、給水配管２３を経て原子炉圧力容器１１へ戻される。
【００２３】
この実施の形態では、蒸気配管２６に注入装置３１が接続されている。注入装置３１は、酸化剤または還元剤を蒸気配管２６に注入するものであって、注入口から一定流量で注入することにより、腐食生成物を溶けやすい状態に保つことができる。高温水中の腐食生成物は酸化還元電位により溶解度が変化するが、その傾向は温度やｐＨによって変化するので、注入する酸化剤または還元剤の量は原子炉圧力容器１１内の腐食電位よりも原子炉圧力容器１１外の腐食電位を高く保つようにプラントごとに最適値が決定される。
【００２４】
ここで、注入装置３１で注入する酸化剤としては、例えば、酸素ガスや過酸化水素水が適当である。酸素ガスは、地球上に豊富に存在し、高温水中に溶解させ酸化剤として作用させることが容易な上、環境を汚染させることがないので酸化剤として有効である。また、過酸化水素は比較的安価であり、１５０℃以上に加熱すると熱分解により酸素と水になるので酸素注入と同等の効果を得ることができる上、環境を汚染させることがないので酸化剤として有効である。
【００２５】
また、注入装置３１で注入する還元剤としては、例えば、水素ガスやヒドラジンが適当である。水素は地球上に豊富に存在し、高温水中に溶解させ還元剤として作用させることが容易な上、環境を汚染させることがないので還元剤として有効である。また、ヒドラジンは容易に合成でき、高温水中に溶解させて還元剤として作用させることが容易な上、環境を汚染させることがないので還元剤として有効である。
【００２６】
本実施の形態では、蒸気タービン２１、復水器２２、加圧ポンプ２５、給水加熱器２４（これらを合わせて「タービン系機器」と呼ぶ）に入る前に腐食生成物を溶けやすい状態にしているため、タービン系機器への放射性物質の析出が抑制され、線量の上昇が抑えられている。
【００２７】
なお、図１に示す実施の形態では、注入装置３１を１箇所に設けているが、複数箇所に注入装置３１を設けることも可能である。この点は、他の実施の形態でも同様である。
【００２８】
次に、図２により、本発明に係る原子力プラントの第２の実施の形態を説明する。この実施の形態では、第１の実施の形態（図１）の構成要素に加え、酸化剤または還元剤の注入装置３１の下流側の蒸気配管２６に腐食電位測定装置３４が設置されている。腐食電位測定装置３４は、蒸気配管２６の途中に設けた電位測定セル３３と、この電位測定セル３３内に設置した電位測定用電極３２を含んでいる。腐食電位測定装置３４により、注入装置３１で注入された酸化剤または還元剤の効果を把握することができる。したがって、注入量を適正に調節することができる。
【００２９】
次に、図３により、本発明に係る原子力プラントの第３の実施の形態を説明する。この実施の形態では、第１の実施の形態（図１）の構成要素に加え、酸化剤または還元剤を注入する注入装置３１の下流側の蒸気配管２６に腐食生成物除去装置３５が設置されている。
【００３０】
本実施の形態では、この腐食生成物除去装置３５の上流側に酸化剤または還元剤の注入装置３１の注入口を設けており、これにより腐食生成物除去装置３５内の腐食電位を装置外より低くすることによって析出した微量の腐食生成物を腐食生成物除去装置３５で除去させることができる。なお、この腐食生成物除去装置３５は圧力損失を極力低く抑える構造とするのが望ましい。
【００３１】
次に、図４により、本発明に係る原子力プラントの第４の実施の形態を説明する。この実施の形態では、第３の実施の形態（図３）の構成要素に加え、腐食生成物除去装置３５に図２に示したのと同様の腐食電位測定装置３４が設置されている。ただし、ここでは電位測定用電極３２が、図２の電位測定セル３３内に設置される代わりに、腐食生成物除去装置３５内に設置されている。
【００３２】
この実施の形態によれば、第３の実施の形態（図３）と同様に腐食生成物除去装置３５で析出した微量の腐食生成物を除去させることができる。さらに、腐食生成物除去装置３５内の腐食電位を知ることにより、注入装置３１で注入する酸化剤または還元剤の量を適正にし、腐食生成物除去装置３５内の腐食電位を低くすることができる。
【００３３】
次に、図５により、本発明に係る原子力プラントの第５の実施の形態を説明する。この実施の形態では、蒸気配管２６に還元剤注入装置３６、腐食生成物除去装置３５、酸化剤注入装置３７が、上流側からこの順に直列に接続されている。腐食生成物除去装置３５には、第４の実施の形態（図４）と同様に、電位測定用電極３２を含む腐食電位測定装置３４が設置されている。
【００３４】
この実施の形態によれば、還元剤注入装置３６からの還元剤注入によって腐食電位を低く保ち、腐食生成物を析出させて腐食生成物除去装置３５における腐食生成物除去を行い、その後、タービン系における腐食生成物の析出を防ぐように、酸化剤注入装置３７からの酸化剤注入を行ない腐食電位を高くする操作が可能である。
なお、第５の実施の形態（図５）の変形例として、還元剤注入装置３６と酸化剤注入装置３７の配置を逆にした配置も可能である。
【００３５】
図６は、２８８℃の高温水中における代表的腐食生成物であるクロム（Ｃｒ）の安定形態を示す電位−ｐＨ図である。この図は、ＥＰＲＩレポート（ＥＰＲＩ　ＮＰ−３１３７）に記載された熱力学計算手法を用いて発明者らが計算して得たものである。この図から、電位とｐＨによりクロムの化学形態が変化することがわかる。
【００３６】
例えば、ｐＨが中性の場合に電位が＋０．２５Ｖ（ＳＨＥ；　Ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を超えると溶解が始まり、ＣｒＯ４２−のイオンの形態が安定となることがわかる。したがって、この形で溶解している場合には還元剤である例えば水素ガスを注入することによりＣｒ２Ｏ３の形で析出し、逆にやや電位が低い状態でＣｒ２Ｏ３の形で存在する場合には、酸素等の酸化剤を注入するとＣｒＯ４２−のイオンの形態で溶解する。
【００３７】
したがって、一般に、対象となる部位の温度における電位−ｐＨ図を作成しておき、酸化剤または還元剤の注入により電位をコントロールし、原子炉圧力容器外機器の腐食電位を原子炉圧力容器内よりも高く保つことで、目標とする機器への腐食生成物の付着を抑制したり、逆に原子炉圧力容器内よりも腐食電位を低く制御することによって、除去装置内に析出させたりすることができる。
【００３８】
例えば、第５の実施の形態（図５）で、腐食生成物除去装置３５の上流側の還元剤注入装置３６から水素を注入し、腐食生成物除去装置３５内にＣｒを酸化物として析出させた後に、下流側の酸化剤注入装置３７にて酸素を注入し、Ｃｒを溶解させるようなシステムを構成することができる。これにより、タービン系におけるＣｒの析出を防ぐことができる。
【００３９】
上記各実施の形態の原子炉として、例えば、炉内の温度／圧力が３７４℃／２２．１ＭＰａ以上となる超臨界圧炉を適用することも可能である。超臨界圧炉では炉内に気液界面が存在せず、均一な流体としてタービン系へ移行するため、放射性腐食生成物がタービン系へ移行しやすいと考えられるが、本発明により、放射性物質によるタービン系機器の汚染が抑制され、より安全な原子力プラントを提供できる。
【００４０】
なお、超臨界圧状態では液体と気体の区別がなくなるが、本明細書では便宜的に、原子炉からタービンに供給される高温・高圧の作動流体を蒸気と呼び、タービンから排出されて原子炉に戻る比較的低温の作動流体を水と呼んでいる。
【００４１】
【発明の効果】
この発明によれば、原子力発電プラントにおいて、タービン系などの原子炉外の機器または配管等の表面への放射性腐食生成物の移行および蓄積を抑制することができる。これにより、放射性腐食生成物が原子炉外へ移行し機器表面の線量を高めるのを防止または抑制し、プラント運転員または定期検査時における作業員の被爆を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る原子力発電プラントの第１の実施の形態の概略系統を示す系統図。
【図２】本発明に係る原子力発電プラントの第２の実施の形態の概略系統を示す系統図。
【図３】本発明に係る原子力発電プラントの第３の実施の形態の概略系統を示す系統図。
【図４】本発明に係る原子力発電プラントの第４の実施の形態の概略系統を示す系統図。
【図５】本発明に係る原子力発電プラントの第５の実施の形態の概略系統を示す系統図。
【図６】クロムの安定形態を示す電位−ｐＨ図。
【符号の説明】
１０…原子炉、１１…原子炉圧力容器、１２…炉心、１３…制御棒、１４…炉水滞留部、２１…蒸気タービン、２２…復水器、２３…給水配管、２４…給水加熱器、２５…加圧ポンプ、２６…蒸気配管、２７…復水浄化装置、３１…注入装置、３２…電位測定用電極、３３…電位測定セル、３４…腐食電位測定装置、３５…腐食生成物除去装置、３６…還元剤注入装置、３７…酸化剤注入装置。
【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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