(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の鋼表面のパッシベーションを現場で行うための方法であって、
前記原子炉を設置する過程において、炉心の形状、燃料集合体を含む炉心要素の相対的位置、ならびに、それら炉心要素の質量および寸法をシミュレートする一方で、炉心としての機能を有さない炉心モデルである炉心シミュレータを、炉心の代わりに、前記炉心の正規の位置に設置し、
原子炉一次回路要素の表面上に、前記一次回路要素の材料と相互作用する液体金属冷却材を冷却材として充填し、
前記冷却剤をパッシベーション条件を保証する温度まで加熱するパッシベーション工程を行い、
このときのパッシベーション条件により保護膜を維持し、
その後、前記炉心シミュレータを、前記炉心と置き換える、方法。
【請求項２】
前記現場で行う前記パッシベーション工程は２段階で行われ、第１の段階は、酸素が前記液体金属冷却材に取り入れられる等温パッシベーション条件下で行われ、第２の段階は、酸素が前記液体金属冷却材に取り入れられる非等温パッシベーション条件下で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記等温パッシベーションは、Ｔ＝３００℃〜３３０℃で行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
非等温パッシベーションはポンプをオンにすることで行われる、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ポンプの電力は、定格値の少なくとも３０パーセントに達する、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核技術の分野に関し、具体的には、重液体金属冷却材による原子炉の鋼表面のパッシベーションを現場で行うための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼管の表面パッシベーションを行うためのさまざまな方法が既知である。
【０００３】
例えば、先行技術において、ボイラー管および電源ユニットの表面のパッシベーションを行うための方法が開示されている。この場合、酸化鉄の流出を監視している間に、タービンをオフにしてボイラー試運転中に媒体に送り込まれるガス状酸化剤（酸素）によってパッシベーションが行われる。ボイラー試運転の一番最初から、媒体の圧力および温度を下げることによって、媒体を蒸気−水混合物状態へ連続して変える。ボイラー炉における放熱は、このボイラー炉の洗浄ステップで酸化鉄が流出し終わった後に放熱の新しい段階へと移行するにつれて段階的に増加する。酸化剤供給のためのボイラーの過熱ゾーンにおける最初の圧力レベルは１．０〜１．２ＭＰａであり、過熱ゾーン圧力が２．０〜３．０ＭＰａに到達し、かつ、酸化鉄がその段階で流出し終わった後、ボイラー媒体の圧力および温度は、蒸気−水混合物状態からボイラー過熱ゾーンにおける媒体を回復させるのに十分な値まで増加し、このような条件は、パッシベーションプロセスが完了するまで維持される（特許文献１、Ｆ２２Ｂ３７／４８、２００４年７月２０日）。
【０００４】
酸素含有剤による処理剤によって鋼管のパッシベーションを行う方法が既知であり、該発明によると、酸素含有剤として最大１．２ｇ／リットルの濃度まで、酸素または窒素の添加と共に空気が使用され、その工程処理は、５０〜２００ｍ／秒の化学薬品流速、３００〜５００℃で０．５〜５０．０分行われる（特許文献２、Ｃ２３Ｇ５／００、２００２年１０月１０日）。該方法は、効果的な腐食保護、特に、容易に手の届かない内面の保護を必要とする、さまざまな直径および長さの鋼管の防食を対象とする。該方法は、工業用鋼管を製造する企業を対象とする。
【０００５】
酸素および給水もしくは蒸気の混合物、または、水−蒸気混合物を含む洗浄剤による、ボイラー管の内面の酸素洗浄およびパッシベーションの別の方法が既知である。この場合、洗浄剤における酸素濃度は１０〜１５ｇ／ｋｇの範囲内で維持され、９０〜４５０℃の洗浄剤温度で４．５〜５．５時間洗浄を行う（特許文献３、Ｆ２２Ｂ３７／４８、２００７年７月２７日）。本発明の説明において述べられるように、該方法によって、管の内面の効果的な洗浄およびパッシベーションが保証される一方、電力消費、および、電力設備ダウンタイムが低減される。
【０００６】
同時に、この方法の目的は、酸素および給水の混合物、蒸気、または、水−蒸気混合物を管に流すことによる、管の内面のパッシベーションである。この方法は、温度条件を含む運転条件、および、かかる装置の構造において使用される材料が基本的に異なるため、原子力発電所の鋼要素のパッシベーションを行うには適切ではない。加えて、原子炉の信頼できる運転の要件は、ボイラー設備のものよりかなり高いものである。
【０００７】
特に、以下の技術：
−燃料要素（ＦＥ）表面の化学的または電気化学的調製、
−炉心要素用合金、蒸気発生器用二酸化炭素、制御および保護システム（ＣＰＳ）ケーシング用水蒸気といった酸化媒体における個々の構成要素および集合体のオフ回路（工場）パッシベーション（予備酸化）、
−ＦＥ表面上に生成される酸化層の厚さおよび品質監視の結果に基づく鋼クラッディングによるＦＥの不合格判定、
は、典型的には、重液体金属冷却材による原子炉の一次回路構造用鋼の耐食性を保証するために使用される。
【０００８】
これらの運用は、一般的に、原子炉の一次回路要素を製造するプラントでおこなわれる。
【０００９】
上記類似形の特許文献２において説明されるように、一次回路の主要面の前処理およびパッシベーションは、鋼によって完全に溶解した酸素消費量をかなり低減することができるため、特に原子炉運転の初期段階で、冷却材の酸素ポテンシャルを物質的に維持する質量伝達ユニットまたは他の用具の運転を簡略化することができる。
【００１０】
しかしながら、オフ回路（工場）パッシベーションを行う間、鉛ビスマス型共晶などによって、大部分は、開放浴におけるＥＩ鋼クラッディングによるＦＥの予備オフ回路酸化の条件との関連で、主要な技術的欠点が検出された。ガス状媒体（ＣＯ2、水蒸気）における製品のオフ回路パッシベーション（酸化）が工場技術を複雑化した。同時に、工場パッシベーション段階において完成品の不合格判定が実行され、このことは、プラント運転の結果によると、むしろ効果的であることが判明したことに留意すべきである。（予備鋼調製および工場パッシベーション後の）不合格判定の２段階の過程で、不合格判定率は〜１０％以上に達した。パーライト鋼でできた蒸気発生器のオフ回路パッシベーションについて、より高い温度での二酸化炭素における処理の特別な条件が、溶接継ぎ手焼きなましプロセスと組み合わせて実行された。
【００１１】
保護性のないプランボフェライト相を有する酸化膜がかかる処理中に鋼表面上に現れるため、工場パッシベーションのための温度および酸素条件の選択は最適でないことは留意すべきである。
【００１２】
慣例からも明らかなように、重液体金属冷却材による高速原子炉の一次回路の鋼表面の前処理は、上記理由のため、一次回路の表面が液体金属冷却材（例えば、鉛、鉛ビスマス共晶）と相互作用する場合、表面上の酸化プロセスを最低限に抑える十分なレベルのパッシベーションを保証することはできない。
【００１３】
上記を考慮して、工場（オフ回路）パッシベーションに加えて、通例、高速原子炉用の原子炉の初期運転中に行われる鋼表面のパッシベーションを現場で行うための設備が整えられる。
【００１４】
液体金属（鉛）冷却材に接触する燃料要素および一次回路要素の防食の手段を備えた高速動力炉の構造のパッシベーションを現場で行うことに関連する技術的解決法は、本発明の最も近い類似形として選択される（特許文献４、Ｇ２１Ｃ１／０３、２０１２年７月２０日）。
【００１５】
特許文献４に述べられるように、鉛冷却材を使用する時、原子炉一次回路の構造要素の腐食に関連する問題が生じる。特許文献４による発明は、安定的な受動炭化物膜の形成によって、一次熱回路の構造要素の、主として、原子炉の炉心に設置される構造要素の腐食の抑制を目的とする。さらに、該発明は、耐食性を有するＦＥクラッディング、および一次回路構造要素上に生成される保護被膜の機械的な損傷に対する保護を保証する。これらの作業に対する解決法は、厄介な運転条件下の、すなわち、原子炉一次回路の高温端において鉛冷却材と接触するホットスポット領域におけるＦＥハウジングクラッディングが、最も腐食されやすいという事実に基づいている。異なる温度によって一次回路部品間で冷却材を循環させた結果として生じるかつ現れるいわゆる動的腐食は、特別重要である。液体金属（鉛）冷却材による高速原子炉のＦＥクラッディングおよび一次回路の要素の防食を保証するために、パッシベーション添加剤、すなわち炭素が冷却材に送り込まれる。バナジウムまたはニオブ（またはそれらの合金）でできたＦＥクラッディングについて、液体金属冷却材（炭素−鉛合金）はＦＥ保護ハウジングクラッディング材と接触し、これによって、クラッディング表面層のセメンテーションがもたらされる。受動炭化物被覆は、結果として保護クラッディング表面上に形成される。
【００１６】
この方法は、漏れ防止ハウジングだけでなく、バナジウムもしくはニオブ、またはバナジウムおよび／またはニオブの基合金でできた保護クラッディングを含むＦＥの使用を伴い、鉛が冷却材として使用されるため、適用に限りがある。最も近い類似形は、主に、ＦＥ保護クラッディング表面上における炭化物膜の作成を目的とし、原子炉一次回路の他の要素（ポンプ、蒸気発生器表面など）のパッシベーションは、それほど強化されないように思われる（このような要素の材料がバナジウム、ニオブ、または、それらの基合金を含有する場合、この説明に明記される通りではない）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】ロシア特許第２２３２９３７号明細書
【特許文献２】ロシア特許第２１９０６９９号明細書
【特許文献３】ロシア特許第２３０３７４５号明細書
【特許文献４】ロシア特許第２４５６６８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、原子炉運転の初期段階において必要とされるレベルのパッシベーションを保証するために、酸化プロセス開発のための条件の作成によって、重液体金属冷却材による原子炉の一次回路要素の鋼表面の信頼できるパッシベーションを現場で行うことである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
冷却材への酸素の取り入れを強化する可能性に関して既知の手段の既存の物理的限界を考慮すると、酸化反応による酸素消費が重液体金属冷却材への酸素の取り入れ率を超えることになると、前記冷却材に対して必要とされる酸素条件を維持することが不可能となることを意味する状況が生じる場合がある。原子炉運転の初期段階はこの点において最も大きな問題を抱えている。重液体金属冷却材に浸漬された鋼製品上の酸素膜形成の初期段階が、現時点で正しく計算できないという事実によって、状況はさらに複雑になっている。従って、鋼酸化の初速度の予測中に重大な誤差が生じ、それによって、重液体金属冷却材技術の性能と比較することが困難になる。
【００２０】
これらの作業の解決法によって、もっぱら、原子炉において使用される質量伝達の標準的な手段によって原子炉のさらなる運転中の鋼要素の表面上のパッシベーション膜を維持することができる。
【００２１】
炉心シミュレータによるパッシベーションを現場で行うプロセスによって、以下の技術的結果：
−重液体金属冷却材における運用に対していずれの特別な前処理も施されていない鋼試料の耐食性、
−原子炉運転の初期段階において一次回路表面が酸化されるにつれて減少する最大酸素消費率の低減、
−原子炉運転の初期段階において必要とされる酸素条件を維持する冷却材への酸素取り入れプロセス手段の溶存酸素性能の低減、
がもたらされる。
【００２２】
ＦＥがあらかじめパッシベーション可能であるという事実を前提として、それらＦＥの酸化の酸素消費はさらに大きく低減可能である。
【００２３】
これらの技術的結果は、パッシベーションを現場で行う方法において原子炉鋼表面の以下の基本的な特徴によって影響される。
【００２４】
原子炉の鋼表面のパッシベーションを現場で行うための方法は、保護膜が、原子炉一次回路要素の表面上に、該一次回路要素の材料と相互作用する物質を冷却材へ取り入れる、ひいては保護膜を形成することによって形成されることから成る。この場合、原子炉を原子炉冷却材で充填する前に設置中、炉心シミュレータが炉心の代わりに設置され、原子炉を、パッシベーション条件を保証する温度まで加熱される冷却材で充填し、その後、炉心シミュレータは除去され、標準の炉心と置き換えられる。
【００２５】
液体金属冷却材は一次回路冷却材として使用される。
【００２６】
現場で行うパッシベーションは２段階で行われ、第１の段階は、酸素が液体金属冷却材に取り入れられる等温パッシベーション条件下で行われ、第２の段階は、非等温パッシベーション条件下で行われる。
【００２７】
等温パッシベーションは、Ｔ＝３００℃〜３３０℃で行われる。
【００２８】
ａ＝１０-1〜１０-3の熱力学的活量の酸素が、液体金属冷却材に取り入れられる。
【００２９】
酸素熱力学的活量ａ＝１０-1〜１０-3および温度Ｔ＝３００℃〜３３０℃は、ｔ＝２２０（±２０）時間維持される。
【００３０】
非等温パッシベーションはポンプ（複数可）をオンにすることで行われる。
【００３１】
ポンプ（複数可）の電力は、定格値の少なくとも３０パーセントに達する。
【００３２】
酸素濃度は、Ｃｏ2＝（１〜４）*１０-6重量％で維持される。
【００３３】
酸素熱力学的活量ａは、ａ＝１０-2〜１０-4とする。
【００３４】
定格値の少なくとも３０パーセントのポンプ（複数可）の電力、酸素濃度Ｃｏ2＝（１〜４）*１０-6重量％、および、酸素熱力学的活量ａ＝１０-2〜１０-4は、ｔ＝５５０（±５０）時間維持される。
【００３５】
炉心シミュレータは、炉心の形状、炉心要素の相対的位置、ならびに、それら炉心要素の質量および寸法をシミュレートする炉心モデルである。
【００３６】
先行技術（特許文献４）においても同様に、高速原子炉一次回路の鋼表面のパッシベーションを現場で行うために、原子炉一次回路の要素の表面上に、一次回路要素材料と相互作用する物質を原子炉一次回路の重液体金属冷却材に取り入れて保護膜を形成することによって、保護膜が形成される。
【００３７】
特許請求される方法の特異点は、炉心の形状、（燃料集合体を含む）炉心要素の相対的位置、ならびに、それらの質量および寸法をシミュレートする炉心モデルである炉心シミュレータ（ＣＳ）が、原子炉に液体原子炉冷却材を充填する前に原子炉設置中、標準の炉心位置に設置されることである。
【００３８】
その後、原子炉に重液体金属冷却材を充填し、該冷却材はパッシベーション条件を保証する温度まで加熱される。
【００３９】
現場で行うパッシベーションは２段階で行われ、第１の段階は、ポンプをオフにしたＴ＝３００〜３３０℃で、高酸素熱力学的活量ａ＝１０-1〜１０-3の等温パッシベーションを含み、この場合、前記温度および酸素活量はｔ＝２２０±２０時間維持され、第２の段階は、ｔ＝５５０±５０時間で、定格値の少なくとも３０％の電力レベルでポンプをオンにした非等温パッシベーションを伴い、ここで、酸素濃度は、高酸素熱力学的活量ａ＝１０-２〜１０-4でＣｏ2＝（１〜４）*１０-6重量％のレベルにおいて維持される。その後、炉心シミュレータは除去され、標準の炉心と置き換えられる。この場合、冷却材温度は、Ｔ＝３００〜３３０℃からパッシベーションに必要とされるレベル（Ｔ＝４１０〜４２０℃）まで上昇する。
【００４０】
次いで、実現された酸素濃度は、液体金属冷却材において通常運転中維持される。
【００４１】
原子炉の一回路の要素全ての周りの流れをシミュレートするために高温試運転モードで実物大のＣＳを適用することによって、重液体金属冷却材媒体における鋼酸化によって重液体金属冷却材による一次回路において構造用鋼の耐食性を改良すること、および、少なくとも（Ｃｏ2＝（１〜１０）*１０-6重量％）の酸素濃度条件下における通常運転に必要とされる酸素濃度を低減することが可能になる。
【００４２】
炉心および蒸気発生器といった一次回路要素の予備（オフ回路、例えば工場）パッシベーションによって、通常運転中、酸素消費の強さを約５０％低減することが可能になる。この場合、蒸気発生器のパッシベーションは、該蒸気発生器が液体金属冷却材と接触する表面積が広いという事実によって最大効果（〜３０％）をもたらす。特許請求される方法の大きな利点は、薄肉の連続した耐久性のある（腐食）保護酸素膜が、上記条件が満たされる時に形成されることである。通常（運転）条件下で鋼と冷却材との酸化相互作用の強さを効果的に低減するために、およそ１〜２μｍの膜厚が原子炉運転の初期段階では十分であることが、研究によって示されている。
【００４３】
選択された酸素濃度で一次回路のパッシベーションされない鋼試料の腐食ベンチテストの過程で、重液体金属冷却材の流れで形成される酸素層を損傷させる、特許請求される方法の適用中、該テスト中に腐食による損傷は生じず、それどころか損傷は修復され、必要とされる厚さ、強度および連続性を有する酸素層が形成された。
【００４４】
特許請求される、パッシベーションを現場で行う方法を具体化するために、かなりの数の実験が行われた。特に、一次回路の基本的な構成要素、燃料要素（鋼ＥＰ−８２３）に関して、融液中の予備酸化によって、良好な静力学による１０００〜５０００時間（数十の操業期間）に基づいて、より高い温度（ｔ＝６２０〜６５０℃）で鋼表面全体の信頼できる防食がもたらされることが実証されたが、この付帯状況は、テストの最中に、予備酸化を含むいずれの保護もなく、確認用試験片における統計的分散による孔食箇所が検出される時があったため極めて重要である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
発明の実装
実験データに基づいて、最も適切なモードは、高酸素濃度（Ｃｏ2〜１*１０-5重量％）による４１０〜４２０℃での現場で行うパッシベーションであり、これによって、２〜４週間の継続期間によるパッシベーションを他の試運転と組み合わせることができ、原子炉プラント運転開始における不要な遅延につながることはない。
【００４６】
重液体金属冷却材の高速原子炉の炉心シミュレータによるパッシベーションを現場で行う際の鋼表面の実装は、別個の段階で行われ、以下の規定プロセスの運用：
−原子炉プラント炉心の正規の位置におけるＣＳの設置、
−冷却した重液体金属を充填した原子炉、
−パッシベーション条件を保証する温度まで加熱する冷却材、
−高酸素熱力学的活量（等温ではａ＝１０-1〜１０-3、非等温ではａ＝１０-２〜１０-4）による等温パッシベーション条件（Ｔ＝３００〜３００℃、ｔ〜２２０時間）、および、（ｔ〜５５０時間で定格値の少なくとも３０％のポンプ電力レベルでの）非等温パッシベーション条件を含む現場で行うパッシベーション、
−ＣＳの除去、
を伴う。
【００４７】
次いで、ＣＳと標準の炉心との置き換え後、高速原子炉の通常運転中、必要な酸素濃度が連続して維持され、これによって、通常の冷却材温度で作動し始める鋼部品のパッシベーションが連続して行われるように保証するが、ＣＳを使用する特許請求された方法の実装中よりも強化されない。