(57)【要約】【課題】  沸騰水型原子炉のオフガス系から効率よく水素を回収してその原子炉の腐食環境緩和に再利用する。【解決手段】  原子炉の圧力容器１からタービン８へ通じる主蒸気系７と、タービン８の使用済蒸気を凝縮する復水器９と、凝縮水を圧力容器１へ戻す給水系３０と、復水器９から抽出した非凝縮性ガスを通すオフガス系３１と、非凝縮性ガスを加熱する排ガス予熱器１５と、その加熱された非凝縮性ガスから水素を分離する多孔質の水素分離膜を有する水素分離装置２１と、水素分離膜から離されて装備され水素分離膜を通ってきた水素を透過させる水素透過金属を有する水素透過装置２２と、そこを透過した水素を給水系３２内に注入する加圧ポンプ２４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰水型原子炉の圧力容器と、
前記圧力容器からタービンへ蒸気を通じる主蒸気系と、
前記主蒸気系を通じて前記タービンに送られて使用された蒸気を凝縮する復水器と、
前記復水器で凝縮した冷却水を前記圧力容器内に戻しいれる給水系と、
前記復水器内の非凝縮性ガスを抽出する空気抽出器と、
前記空気抽出器に接続されたオフガス系と、
前記オフガス系の系統内に装備されて前記空気抽出器で抽出した前記非凝縮性ガスを加熱する排ガス予熱器と、
前記オフガス系の系統内に装備されて前記排ガス予熱器で加熱された前記非凝縮性ガスから水素を分離する多孔質の水素分離膜と、
前記水素分離膜から離されて装備され前記水素分離膜を通ってきた前記水素を透過させる水素透過金属と、
前記水素透過金属を透過してきた水素を前記給水系内に注入する水素注入手段とを備えた沸騰水型原子炉の腐食環境緩和装置。
【請求項２】
請求項１において、前記排ガス予熱器は前記非凝縮性ガスの温度を調節する温度調節器を備えている沸騰水型原子炉の腐食環境緩和装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、前記水素分離膜と水素透過金属とは、加熱された前記非凝縮性ガスが通される共通の容器内に相互に間隔置いて装備されている沸騰水型原子炉の腐食環境緩和装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２又は請求項３において、前記水素注入手段は、前記水素透過金属を透過してきた水素を前記給水系内へ圧送する加圧ポンプと配管を備え、前記配管には、前記給水系内へ圧送する水素の流量を調整する流量調整弁と、前記水素を貯蔵する水素貯蔵装置を備えている沸騰水型原子炉の腐食環境緩和装置。
【請求項５】
沸騰水型原子炉に備わるオフガス系へ抽出されてきた非凝縮性ガスを排ガス予熱器で加熱する過程と、
前記排ガス予熱器による前記非凝縮性ガスの温度を前記非凝縮性ガスから回収する水素量に応じて調節する過程と、
前記温度が調整された前記非凝縮性ガスから多孔質の水素分離膜で水素を分離する過程と、
前記水素分離膜で分離された水素を水素透過金属に透過させる過程と、
前記水素透過金属を透過してきた前記水素を前記沸騰水型原子炉に備わる給水系内に注入する過程と、
を備えた沸騰水型原子炉の腐食環境緩和方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は沸騰水型原子炉の一次冷却水に水素を注入して構造材の腐食環境を緩和する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来例１として、沸騰水型原子炉の給水系へオフガス系から取得した水素を注入して再利用する設備と方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
又、従来例２として、水素分離回収設備に用いられるものとして、多孔質金属基体上にシリカ質薄膜を介して水素透過性金属薄膜を有する密着積層構造にて一体化した水素分離膜が公知である（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−２２０６８７号公報
【特許文献２】特開平１１−１１４３８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来例１における水素回収ではパラジウム合金膜を用いて行われている。しかし、沸騰水型原子炉の主蒸気には、炉水の放射線分解で発生した水素の他に酸素も含まれているため、パラジウムの触媒作用により水素・酸素が結合し、水素の回収効率が低下する。
【０００６】
また、従来例２における水素分離膜は、多孔質膜と水素透過性金属膜とを一体化した水素分離膜が利用されている。この従来例２の水素回収装置では水素透過性金属膜の表面を多孔質膜で被覆してあるため、多孔質膜を水素とともに通過する水蒸気が多孔質膜内に溜まり水素透過性金属の水素透過を抑制し、水素透過効率が低下する。
【０００７】
本発明は、沸騰水型原子炉の給水系へオフガス系から取得した水素を注入して再利用する沸騰水型原子炉の構造材の腐食環境緩和設備及び方法において、水蒸気・酸素・水素混合雰囲気から水素を高効率で回収し再利用することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の課題を解決するための沸騰水型原子炉の腐食環境緩和装置は、沸騰水型原子炉の圧力容器と、前記圧力容器からタービンへ蒸気を通じる主蒸気系と、前記主蒸気系を通じて前記タービンに送られて使用された蒸気を凝縮する復水器と、前記復水器で凝縮した冷却水を前記圧力容器内に戻しいれる給水系と、前記復水器内の非凝縮性ガスを抽出する空気抽出器と、前記空気抽出器に接続されたオフガス系と、前記オフガス系の系統内に装備されて前記空気抽出器で抽出した前記非凝縮性ガスを加熱する排ガス予熱器と、前記オフガス系の系統内に装備されて前記排ガス予熱器で加熱された前記非凝縮性ガスから水素を分離する多孔質の水素分離膜と、前記水素分離膜から離されて装備され前記水素分離膜を通ってきた前記水素を透過させる水素透過金属と、前記水素透過金属を透過してきた水素を前記給水系内に注入する水素注入手段とを備えている。
【０００９】
本発明の課題を解決するための沸騰水型原子炉の腐食環境緩和方法は、沸騰水型原子炉に備わるオフガス系へ抽出されてきた非凝縮性ガスを排ガス予熱器で加熱する過程と、前記排ガス予熱器による前記非凝縮性ガスの温度を前記非凝縮性ガスから回収する水素量に応じて調節する過程と、前記温度が調整された前記非凝縮性ガスから多孔質の水素分離膜で水素を分離する過程と、前記水素分離膜で分離された水素を水素透過金属に透過させる過程と、前記水素透過金属を透過してきた前記水素を前記沸騰水型原子炉に備わる給水系内に注入する過程とを有する。
【００１０】
本発明の実施例で説明されている手段では、多孔質の水素分離膜により物理的に水素・水蒸気を酸素と分離し、水素透過材で水素のみを透過させ回収する。水素透過金属表面では水素は解離して水素原子となるため、酸素があると反応して水素透過量が減少する。しかし、多孔質の水素分離膜により大部分の酸素は分離されるので、水素透過金属表面での反応は抑制される。多孔質の水素分離膜だけでの水素分離では、水素中に酸素や水蒸気が一部混ざり、主蒸気中に含まれる放射性の核種も混ざる可能性がある。従って、多孔質の水素分離膜と水素透過金属との２重にすることで信頼性を向上できる。
【００１１】
また、主蒸気系では濃度がppm オーダのため水素を効率よく回収できないため、オフガス系で回収する。オフガス系は、タービンで使用した蒸気を復水器で水に戻すが、気体中の水素と放射性ガスを処理する系統である。原子炉内で発生する水素と酸素は２：１で非常に燃焼しやすいが、水素・酸素に蒸気を混ぜることにより燃焼を抑制できる。
【００１２】
更に、本発明の実施例で説明されている手段は、水素の回収・注入量を調整でき、腐食環境の制御を行える。即ち、多孔質の水素分離膜による水素透過量は高温ほど多くなる。従って、水素・水蒸気・酸素の混合ガス温度を制御することにより、必要な水素量を回収できる。
【００１３】
本発明の実施例で説明されている手段では、これまでの水素注入に必要な水の電気分解装置や水素ボンベを不要とし、水素をオフガス系から分離回収して再利用できる。従来、沸騰水型原子炉のオフガス系では炉水の放射線分解で発生する水素約２２０Ｎｍ３／ｈと酸素１１０Ｎｍ３／ｈを触媒燃焼処理していること、及び腐食環境緩和のために注入する水素は約３０〜１５０Ｎｍ３／ｈであることを考えると、注入した水素は炉内でほとんど消費されずほぼ注入した分だけオフガス系にでてくる。このため、この水素分に見合う酸素をオフガス系に注入して触媒燃焼処理していたことを考えると、本発明により、この触媒燃焼処理の酸素注入も不要となり、また、これまで触媒燃焼処理していた水素も回収できることから、注入量以上の水素を回収でき、ランニングコストの低減効果が大きい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、沸騰水型原子炉で水素を効率よく回収・再利用が可能となり、腐食環境緩和策の効率的・経済的効果が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の第１実施例を図１により説明する。沸騰水型原子炉の圧力容器１内の炉心２で発生した水素・酸素の一部は主蒸気に含まれ、セパレータ６，主蒸気系７を経てタービン８に入り復水器９に至る。一方、圧力容器内で発生した主蒸気はタービンで使用されてから復水器９で凝縮され、主蒸気から冷却水３に戻される。
【００１６】
復水器９内の非凝縮性ガスは、空気抽出器１４により抽出されて蒸気と混合され、排ガス予熱器１５で約３５０℃まで加熱される。排ガス予熱器１５の温度は、必要な水素注入量に応じた温度に温度調整器２０により設定される。水素分離装置２１で水素の一部を非凝縮性ガスから分離回収する。残りの水素は排ガス再結合器１６で酸素と結合し、水蒸気は排ガス復水器１７で凝縮され、放射性核種は希ガスホールドアップ装置１８を経てスタック１９に至る。
【００１７】
水素分離装置２１で分離した水素は、水素透過装置２２で回収され加圧ポンプ２４により一次冷却系の給水系３２に注入し再利用される。水素分離装置２１で分離された水素以外のガスは加圧ポンプ２３により排ガス復水器１７に戻される。このように、オフガス系３１は空気抽出器１４からスタック１９に至る系統構成を有する。このオフガス系３１を流れる流体はオフガスと称せられる。
【００１８】
復水器９で主蒸気が凝縮して生じた冷却水３は給水として、復水ポンプ１０により復水浄化器１１を経て、給水ポンプ１２から給水ヒータ１３で加熱されて圧力容器１内に戻しいれられて炉心２に循環させられる。このように給水系３２は、復水ポンプ１０から圧力容器１に至る系統構成を備えている。また、冷却水３は再循環ポンプ５により圧力容器内の冷却水３を炉心２に循環させる再循環系４を循環する。
【００１９】
水素分離装置２１は多孔質膜を用い、水素透過装置２２は水素透過金属を用いる。水素分離装置２１で用いられる多孔質膜の水素透過率(mol／ｍ２／Ｐａ／ｓ)は、図２に示すように、温度の逆数に対して直線的に減少する特性がある。通常の水素透過金属の水素透過率（mol／ｍ２／Ｐａ０.５／ｓ）も多孔質膜と同様な温度特性となる。しかし、高水素透過率の水素透過金属は、図３に示すように、ある温度で最大となる特性がある。多孔質膜の水素透過量は、膜前後の水素分子の分圧差に比例する。一方、水素透過金属の水素透過量は透過管内外の水素分圧の平方根の差に比例する。これは、水素透過金属が水素原子に解離してから金属内を透過するからである。
【００２０】
また、水素透過金属の水素透過率の最大値ができるのは、高温側では水素の金属内への溶存が律速となり、低温側では金属内の拡散が律速となり、ある温度で律速過程が変わるためである。従って、水素透過金属の温度は水素透過率が最大となる温度とし、多孔質膜の温度を変化させれば、水素透過率、すなわち、水素透過量を可変にできる。
【００２１】
本実施例では、多孔質膜としてアモルファスシリカの無機膜を用い、水素透過金属として表面をＰｄ（パラジュウム）でコーティングしたタンタル管を用いた。３５０℃におけるアモルファスシリカの水素透過率は約３×１０−６mol／ｍ２／Ｐａ／ｓ で、タンタル管は３５０℃で水素透過率が最大の約２×１０−３mol／ｍ２／Ｐａ０.５／ｓである。このとき、給水中水素濃度に対して必要な水素量を回収する多孔質膜の温度、すなわち、排ガス予熱器１５の温度を図４に示す。この温度は、排ガス予熱器１５の温度調整器２０で設定する。
【００２２】
沸騰水型原子炉の炉内機器の腐食防止のために必要な水素量は、給水中水素濃度で1.3〜１.８ppmとされている。必要な水素量に範囲があるのは、炉内の水素濃度に分布があることと、プラント依存性があるためである。必要な部位の水素濃度を測定して必要な給水中水素濃度を求め、図４に基づいて、温度調整器２０で排ガス予熱器１５の温度を設定する。なお、排ガス予熱器１５と水素分離装置２１は一体としてもよい。
【００２３】
水素分離装置２１は、図５に示すように、Ｕ字管タイプの多孔質管２５から構成されている。多孔質管表面の多孔質膜は、アモルファスシリカの無機膜で直径約０.４ｎｍ の微細孔があいている。この孔径より小さい分子は多孔質膜を透過できない。また、分子径が小さいほど透過しやすいので、水素や水蒸気は酸素よりも透過しやすい。多孔質膜は、ゼオライト膜や炭素膜などでもよい。
【００２４】
多孔質管２５の水素分離性能は高温ほど高いが、水素の自然着火温度の約５８０℃を考慮して、排ガス予熱器１５で最大約３５０℃まで加熱している。
【００２５】
いま、典型的な１１０万ｋＷ級の沸騰水型原子炉のオフガス中の水素量設計値は２２０Ｎｍ３／ｈだが、実際は約１５０Ｎｍ３／ｈである。これは、給水中水素濃度２ppm に相当する。オフガス中の水素量約１５０Ｎｍ３／ｈを回収するためには、多孔質膜の面積は約３５ｍ２となる。多孔質膜を直径４cm，長さ２ｍのセラミックＵ字管の外面に焼成などにより形成させたセラミック管を、直径約１ｍ，長さ１.２ｍ の水素分離装置２１の容器内に約１４０本入れる。熱による変形を考慮してＵ字管を用いたが、熱変形の少ない多孔質管の場合には、直管を用いてもよい。
【００２６】
水素を含むオフガスをその管内に通し、分離した水素はその管外の容器内に出て、加圧ポンプ２３により水素透過装置２２に送られる。水素注入量が１５０Ｎｍ３／ｈより少ない場合には、排ガス予熱器１５での昇温温度を３５０℃より低くすればよい。オフガスを約１１０℃にすると、多孔質膜の水素透過率は約半分となり、水素分離量は約７５Ｎｍ３／ｈとなる。このように回収する水素量は、多孔質膜の水素透過率の温度依存性に応じて排ガス予熱器１５での温度を決めればよい。
【００２７】
水素透過装置２２も、図５に示すようなＵ字管構造とする。これは、水素透過金属は水素を吸収すると変形しやすくなるためである。水素透過金属はタンタルで、表面に表面汚染を防止するためパラジウムコーティングしてある。水素は水素透過金属の表面で水素分子に解離し、水素原子が水素透過金属内を透過するため、水素のみが透過できる。
【００２８】
上記水素分離装置２１で一部通過した酸素は、水素透過金属管表面、または、コーティングしたパラジウム表面で、解離した水素と反応し水蒸気となる。しかし、水素分離装置２１を通過する酸素量は透過水素量の約１／１００以下である。また、水素分離装置２１を通過する水蒸気は、水素透過金属の水素透過性能を減少させない。
【００２９】
水素透過金属は、パラジウムコーティングした銀・パラジウム合金や、バナジウム合金などでもよい。水素透過装置２２は全体を約３５０℃に加熱してある。３５０℃におけるパラジウムコーティングしたタンタルの水素透過率は約２×１０−３mol／ｍ２／Ｐａ0.5／ｓで、１５０Ｎｍ３／ｈの水素を透過させるためには約８ｍ２の表面積が必要となる。直径１cm，肉厚０.１８mm ，長さ２ｍのタンタルのＵ字管を、直径０.５ｍ，長さ１.２ｍの水素透過装置２２に約１２０本入れる。タンタル管の両面は、パラジウムで数ミクロンコーティングしてある。水素分離装置２１で分離された水素を含むガスは、加圧ポンプ
２３により水素透過金属管内を通す。透過した水素は、加圧ポンプ２４により一次冷却系の給水系３２に注入し再利用される。余剰の水素は、水素吸蔵合金などで貯蔵し、水素エネルギー源として活用できる。
【００３０】
本実施例によれば、構造材の腐食環境緩和に必要な水素をオフガス系から抽出した水素でまかなうことができる。また、必要な水素量は、排ガス予熱器の温度を変えることにより調整できる。本水素回収装置は、従来の排ガス予熱器と排ガス再結合器の間に容易に組み込めるので、既設プラントにも適用できる。また、２重構造のため、水素利用の信頼性を向上できる。
【００３１】
本発明の第２実施例を、図６により説明する。本実施例では、図１の水素分離装置２１の代わりに水素分離・透過装置２６を用いた。水素分離・透過装置２６は、図７に示すように、水素分離・透過装置２６の共通の容器内には、水素分離管２７と水素透過金属管
２８を設置してある。水素分離・透過装置２６は、３５０℃に保温してある。水素分離管２７は、直径１.５cm，長さ１.１ｍの片端を閉止したセラミック管で、外側を多孔質膜としてある。水素透過金属管２８は、水素分離管２７と隙間を保って離されて配備されていて、直径１cm，長さ１ｍのタンタル管で、両面をパラジウムでコーティングしてある。
【００３２】
水素分離・透過装置２６は、直径約１ｍ，長さ約１.３ｍ で、水素分離管２７と水素透過金属管２８をそれぞれ約３５０本設置してある。これで、水素を約７５Ｎｍ３／ｈ分離できる。
【００３３】
従って、給水中水素濃度２ppm に相当する約１５０Ｎｍ３／ｈを分離するには、上記水素分離・透過装置２６を２台直列に用いる。水素を含むオフガスは、第１の水素分離・透過装置２６の水素分離管２７の外部を通って、第２の水素分離・透過装置２６に入り、第２の水素分離・透過装置２６の水素分離管２７の外部を通って排ガス再結合器１６に至る。水素分離管２７で分離した水素は、水素透過金属管２８の外部から内部へ透過する。第１の水素分離・透過装置２６と第２の水素分離・透過装置２６の残ガスは加圧ポンプ２３により排ガス復水器１７に送られる。
【００３４】
第１の水素分離・透過装置２６と第２の水素分離・透過装置２６の水素透過金属管２８を透過した水素は、加圧ポンプ２４により一次系冷却水に注入される。注入水素量は、排ガス予熱器１５の温度調整器２０で温度を変えることにより調整できる。
【００３５】
本実施例により、注入水素量を確保できるとともに、水素回収をよりコンパクトに行える。
【００３６】
第３実施例を、図８を用いて説明する。本実施例では、水素分離・透過装置２６を設置し、オフガス温度を３５０℃一定として水素を全量回収する。このため、排ガス再結合器１６を削減できる。排ガス予熱器１５の温度は３５０℃としている。
【００３７】
水素分離管２７は、直径４cm，長さ１.１ｍ の片端を閉止したセラミック管で、外側を多孔質膜としてある。水素透過金属管２８は、直径１cm，長さ１ｍのタンタル管で、両面をパラジウムでコーティングしてある。
【００３８】
水素分離・透過装置２６は、直径約１ｍ，長さ約１.３ｍ で、水素分離管２７と水素透過金属管２８をそれぞれ約２５０本設置してある。水素を含むオフガスは、水素分離・透過装置２６の水素分離管２７の外部を通って排ガス復水器１７に至る。水素分離管２７で分離した水素は、水素透過金属管２８の外部から内部へ透過する。残ガスは排ガス復水器１７に送られる。なお、水素回収装置は別の型でもよい。水素分離・透過装置２６で回収された水素は加圧ポンプ２４により水素貯蔵装置２９に送られる。また、必要な水素注入量は、流量調整弁３０を通して一次冷却系の給水系３２に供給される。
【００３９】
水素貯蔵装置２９は、水素吸蔵合金のカートリッジから成る。水素注入量が給水中水素濃度２ppm に相当する約１５０Ｎｍ３／ｈの場合は、回収水素量と注入量がほぼ同量となり、水素貯蔵はできない。水素注入量が半分の７５Ｎｍ３／ｈの場合は、水素貯蔵量は約７５Ｎｍ３／ｈとなる。カートリッジに代表的なＴｉＣｒＶＦｅ系の水素吸蔵合金１トンを用いた場合、水素吸蔵量は約３０kgとなる。約７５Ｎｍ３／ｈの水素は、カートリッジ１本で約５時間で吸蔵できる。従って、５時間ごとに空のカートリッジに切り替えればよい。
【００４０】
カートリッジに貯蔵した水素は、別の水素貯蔵容器に蓄え利用する。カートリッジに貯蔵された水素は、カートリッジの温度を上げることにより取り出せ、カートリッジは再利用できる。水素注入量の調整は、必要な水素量の流量調整弁３０で行う。
【００４１】
このようにして、必要な水素注入量を流量調整弁３０で調整し、さらに、オフガス系の水素を全量回収でき、回収地点から下流側の機器の簡略化と水素エンルギ−に利用できる水素の蓄積とが達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施例による沸騰水型原子炉の系統図である。
【図２】水素透過膜の温度依存性を示すグラフ図である。
【図３】水素透過材の温度依存性を示すグラフ図である。
【図４】給水中水素濃度と予熱器温度との関係を示すグラフ図である。
【図５】水素分離装置の概略縦断面図である。
【図６】本発明の第２実施例実施による沸騰水型原子炉の系統図である。
【図７】水素分離・透過装置の概略縦断面図である。
【図８】本発明の第３実施例による沸騰水型原子炉の系統図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…圧力容器、２…炉心、３…冷却水、４…再循環系、５…再循環ポンプ、６…セパレータ、７…主蒸気系、８…タービン、９…復水器、１０…復水ポンプ、１１…復水浄化器、１２…給水ポンプ、１３…給水ヒータ、１４…空気抽出器、１５…排ガス予熱器、１６…排ガス再結合器、１７…排ガス復水器、１８…希ガスホールドアップ装置、１９…スタック、２０…温度調整器、２１…水素分離装置、２２…水素透過装置、２３，２４…加圧ポンプ、２５…多孔質管、２６…水素分離・透過装置、２７…水素分離管、２８…水素透過金属管、２９…水素貯蔵装置、３０…流量調整弁、３１…オフガス系、３２…給水系。
【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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