(57)【要約】  【課題】  原子力プラントの構成部材である炭素鋼部材の表面に、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても安定な皮膜を形成することができ、炭素鋼部材の表面への放射性核種の付着を抑制することができる、炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法とその装置を提供する。  【解決手段】  原子力プラントを構成する炭素鋼部材の表面に、ＬａとＣｒを含む水酸化物を形成し、熱処理を加えることで、前記炭素鋼部材の表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素鋼の表面にランタンおよびクロムを含む皮膜が形成された原子力プラントの配管部材。
【請求項２】
請求項１に記載の原子力プラントの配管部材であって、
前記皮膜は、ＬａＣｒＯ３を主成分とする皮膜であることを特徴とする原子力プラントの配管部材。
【請求項３】
請求項１または２に記載の原子力プラントの配管部材であって、
前記配管部材は、原子力プラントの炉水浄化系の配管であることを特徴とする原子力プラントの配管部材。
【請求項４】
炭素鋼部材を接続可能な処理部と、
前記処理部にランタン溶液を供給するランタン溶液供給装置と、
前記処理部にクロム溶液を供給するクロム溶液供給装置と、
前記処理部にｐＨ調整剤を供給するｐＨ調整剤供給装置と、
前記炭素鋼部材を加熱可能な加熱装置と、
を備えることを特徴とする炭素鋼部材の放射性核種付着抑制装置。
【請求項５】
請求項４に記載の炭素鋼部材の放射性核種付着抑制装置であって、
前記炭素鋼部材の表面をカソード分極する電極および電位制御装置をさらに備えることを特徴とする炭素鋼部材の放射性核種付着抑制装置。
【請求項６】
請求項４に記載の炭素鋼部材の放射性核種付着抑制装置であって、
前記加熱装置は、前記炭素鋼部材を大気中において６００℃に加熱可能であることを特徴とする炭素鋼部材の放射性核種付着抑制装置。
【請求項７】
以下の工程を含む炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法；
（ａ）前記炭素鋼部材の表面にランタン溶液を供給する工程、
（ｂ）前記炭素鋼部材の表面にクロム溶液を供給する工程、
（ｃ）前記炭素鋼部材の表面にｐＨ調整剤を供給する工程、
（ｄ）前記（ａ）〜（ｃ）工程の後、前記ランタン溶液、前記クロム溶液、前記ｐＨ調整剤を除去し、前記炭素鋼部材を大気中で加熱する工程。
【請求項８】
請求項７に記載の炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法であって、
（ｅ）前記（ａ）〜（ｃ）工程の後、前記炭素鋼部材に電位を供給し、前記炭素鋼部材の表面をカソード分極する工程、をさらに有することを特徴とする炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法。
【請求項９】
請求項７に記載の炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法であって、
前記（ｄ）工程において、前記炭素鋼部材を６００℃に加熱することを特徴とする炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法であって、
前記ランタン溶液はＬａ３＋を含み、
前記クロム溶液はＣｒ６＋を含み、
前記ｐＨ調整剤により、前記炭素鋼部材の表面に接触する溶液をｐＨ２〜５に調整することを特徴とする炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法であって、
前記（ｅ）工程において、前記炭素鋼部材に−１．５ＶｖｓＳＣＥの電位を供給することを特徴とする炭素鋼部材の放射性核種付着抑制方法。
【請求項１２】
原子力プラントの稼働開始前に、請求項１から３のいずれか１項に記載の原子力プラントの配管部材を前記原子力プラントに取り付けることを特徴とする原子力プラントの運転方法。
【請求項１３】
原子力プラントの運転停止中に、請求項１から３のいずれか１項に記載の原子力プラントの配管部材を前記原子力プラントに取り付けることを特徴とする原子力プラントの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射性核種付着抑制方法とその装置に関し、より詳細には、原子力プラントを構成する炭素鋼配管への放射性核種付着抑制方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントとして、例えば、沸騰水型原子力発電プラント（以下、「ＢＷＲプラント（Boiling Water Reactor）」と称する）及び加圧水型原子力発電プラント（以下、「ＰＷＲプラント（Pressurized Water Reactor）」と称する）が知られている。
【０００３】
例えば、ＢＷＲプラントは、原子炉圧力容器（以下、「ＲＰＶ（Reactor Pressure Vessel）」と称する）内に炉心を内蔵した原子炉を有する。再循環ポンプ（又はインターナルポンプ）によって炉心に供給された冷却水は、炉心内に装荷された燃料集合体内の核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、一部が蒸気になる。この蒸気は、原子炉からタービンに導かれ、タービンを回転させる。タービンから排出された蒸気は、復水器で凝縮され、水になる。この水は、給水として原子炉に供給される。この給水からは、原子炉内での放射性腐食生成物の発生を抑制するために、給水配管に設けられたろ過脱塩装置で主として金属不純物が除去される。
【０００４】
ＢＷＲプラント及びＰＷＲプラント等の発電プラントでは、原子炉圧力容器などの主要な構成部には、腐食を抑制するために、水が接触する接水部にステンレス鋼及びニッケル基合金などを用いている。また、原子炉冷却材浄化系、余熱除去系、原子炉隔離時冷却系、炉心スプレイ系、給水系及び復水系などの構成部には、プラントの製造所要コストを低減する観点、又は給水系や復水系を流れる高温水に起因するステンレス鋼の応力腐食割れ（ＳＣＣ：Stress Corrosion Cracking）を避ける観点などから、主として炭素鋼部材が用いられる。
【０００５】
放射性腐食生成物の元となる腐食生成物は、ＲＰＶ及び再循環系配管等の接水部からも発生することから、主要な一次系の構成部材には、腐食の少ないステンレス鋼やニッケル基合金などの不銹鋼が使用されている。また、低合金鋼製のＲＰＶには、内面にステンレス鋼の肉盛りが施され、低合金鋼が炉水（ＲＰＶ内に存在する冷却水）と直接接触することを防いでいる。さらには、炉水の一部を炉水浄化系のろ過脱塩装置によって浄化し、炉水中に僅かに存在する金属不純物を積極的に除去している。
【０００６】
しかし、上述のような腐食対策を講じても、炉水中における極僅かな金属不純物の存在は避けられないため、一部の金属不純物が、金属酸化物として、燃料集合体に含まれる燃料棒の表面に付着する。燃料棒表面に付着した金属不純物に含まれる金属元素は、燃料棒内の核燃料から放出される中性子の照射により原子核反応を起こし、コバルト６０（Ｃｏ−６０）、コバルト５８、クロム５１、及びマンガン５４等の放射性核種になる。
【０００７】
これらの放射性核種は、大部分が酸化物の形態で燃料棒表面に付着したままであるが、一部の放射性核種は、炉水中にイオンとして溶出したり、クラッドと呼ばれる不溶性固体として炉水中に再放出されたりする。炉水中の放射性物質は、炉水浄化系によって取り除かれる。しかし、除去されなかった放射性物質は、炉水とともに再循環系などを循環している間に、再循環系などの構成部材の炉水と接触する表面に蓄積される。
【０００８】
この結果、構成部材の表面から放射線が放射され、定期検査の作業時に従事者が放射線被曝する原因となる。特に、Ｃｏ−６０は半減期が５．２７年と比較的長く、放射するγ線のエネルギーも１．１７ＭｅＶおよび１．３３ＭｅＶと高いため、従事者が放射線被曝する主な原因となる。従業者の被曝線量は、各人毎に規定値を超えないように管理されている。近年この規定値が引き下げられ、各人の被曝線量を経済的に可能な限り低くする必要が生じている。
【０００９】
そこで、炉水中の放射性核種の配管への付着を低減する方法、及び炉水中の放射性核種の濃度を低減する方法が様々検討されている。例えば、緻密なフェライト皮膜（例えば、マグネタイト皮膜、ニッケルフェライト皮膜）を沸騰水型原子力プラントの構成部材である炭素鋼部材の表面に形成することも提案されている。（例えば、特開２００７−１８２６０４号公報及び特開２００７−１９２６７２号公報参照）
具体的には、沸騰水型原子力プラントの停止中で、フェライト皮膜の形成において、鉄（II）イオン及び有機酸（例えば、ギ酸）を含む薬剤、鉄（II）イオンを鉄（III）イオンに酸化する酸化剤、及びｐＨを調整するｐＨ調整剤を含み、ｐＨが５．５〜９．０の範囲内に調整された皮膜形成液を用いて、炭素鋼部材の表面にフェライト皮膜を形成している。このフェライト皮膜は、炭素鋼部材の表面に冷却水が接触するのを遮断する保護膜になるので、炭素鋼部材の冷却水と接する表面の腐食が抑制される。
【００１０】
また、ＢＷＲプラントでは、ＳＣＣ防止策の１つとして、前述のステンレス鋼やニッケル基合金のような材料で構成された構造部材に接触する冷却水の腐食環境を改善するために、水素注入技術が広く用いられている。水素注入技術の例が、特許第２６８７７８０号公報に記載されている。原子炉を構成する原子炉圧力容器内の冷却水は、冷却水に含まれる酸素および過酸化水素などの酸化剤によって腐食環境を形成している。水素注入は、冷却水に水素を注入し、冷却水に含まれている酸素および過酸化水素を注入された水素と反応させて冷却水中の酸素および過酸化水素の濃度を低減することで、冷却水に接触する構造部材の腐食電位を低下させ、構造部材のＳＣＣを緩和する技術である。
【００１１】
水素注入時の腐食電位の低下をさらに促進させる技術として、例えば、特開平４−２２３２９９号公報に記載された貴金属元素（例えば、白金、パラジウム等）を冷却水に注入する技術（貴金属注入技術）が知られている。この貴金属注入技術は、水素注入技術と併用され、貴金属元素が有する水素の電気化学反応への触媒作用を利用して、少量の水素注入によって腐食電位の低減効果を実現する。
【００１２】
また、特開２００１−９１６８８号公報は、応力腐食割れの発生及び応力腐食割れによるき裂の進展を抑制する目的で、亜鉛クロマイト（ＺｎＣｒ２Ｏ４）とクロム酸化物（Ｃｒ２Ｏ３）が混在する亜鉛とクロムの複合酸化物層を、原子力発電プラントの構造部材の炉水と接液する表面に形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００７−１８２６０４号公報
【特許文献２】特開２００７−１９２６７２号公報
【特許文献３】特許第２６８７７８０号公報
【特許文献４】特開平４−２２３２９９号公報
【特許文献５】特開２００１−９１６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１および特許文献２に記載の方法は、フェライト皮膜を形成することで構造材料を保護する。鉄を主成分とする酸化物であるフェライトは、水素および貴金属の存在する強還元性の環境では溶解度が高く不安定になり、性能を十分に発揮できない懸念がある。
【００１５】
また、特許文献３および特許文献４に記載の方法のように、ＢＷＲプラントでは、応力腐食割れを抑制する目的で炉水中に水素および貴金属が注入されている。つまり、前述のＢＷＲプラントでは、構造材表面には貴金属が付着し、炉水から水素が供給される。一方で、プラント運転前の起動試験時や、水素注入装置の不調により水素注入が実施されない期間がある。
【００１６】
一方、特許文献５に記載の亜鉛クロマイトやクロム酸化物は強還元環境下で安定に存在するため、これらの皮膜を形成することで、水素および貴金属の存在する強還元性の環境での腐食抑制が期待できる。しかし、これらの酸化物は、プラント運転前の起動試験時や、水素注入装置の不調により水素注入が実施されない期間における酸化環境下では、クロム酸となって溶出し、性能を十分に発揮できない懸念がある。
【００１７】
本発明は、原子力プラントの構成部材である炭素鋼部材の表面に、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても安定な皮膜を形成することができ、炭素鋼部材の表面への放射性核種の付着を抑制することができる、炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法とその装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明による炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法は、次のような特徴を備える。原子力プラントを構成する炭素鋼部材の表面に、３価のＬａと６価のＣｒを含む水酸化物を形成し、熱処理を加えることで、前記炭素鋼部材の表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、原子力プラントの構成部材である炭素鋼部材の表面に、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても安定な皮膜を形成することができ、炭素鋼部材の表面への放射性核種の付着を抑制することができる、炭素鋼部材への放射性核種付着抑制方法とその装置を提供することができる。
【００２０】
これにより、定期検査作業時などの従事者の放射線被曝線量を可能な限り低減することができ、経済的に作業の安全性を向上することができる。
【００２１】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１による炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法の手順を示すフローチャートである。
【図２】試験片Ａ、ＢのＮＷＣ条件における腐食試験の結果を示す図である。
【図３】試験片Ａ、ＢのＨＷＣ条件における腐食試験の結果を示す図である。
【図４】ＢＷＲプラントの系統図である。
【図５】放射性核種付着抑制装置の機器系統構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例２による炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法の手順を示すフローチャートである。
【図７】実施例１の変形例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明を省略する。
【００２４】
本発明者らは、原子炉の運転条件を模擬した水質環境で、原子炉の構造材料へのＣｏ−６０の付着に及ぼす水質や材料の影響を調べた。その結果、構造材料の表面へのＣｏ−６０の付着は、構造材料に形成される酸化皮膜にＣｏ−６０が取り込まれることによって生じることが分かり、これを抑制するためには酸化皮膜の形成の元となる腐食を抑制すること、及びＣｏ−６０を取り込み難い酸化皮膜を形成することが有効であると分かった。
【００２５】
そこで、本発明者らは、酸化性雰囲気および還元性雰囲気のいずれの運転条件においても安定に存在し、腐食を抑制する皮膜を形成すれば、酸化性雰囲気および還元性雰囲気のいずれにおいてもＣｏ−６０の付着を抑制できると考えた。この考察に基づき、本発明者らは、原子炉の運転条件における炭素鋼の腐食試験を実施した。試験では、未処理の炭素鋼からなる試験片Ａと、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）皮膜を炭素鋼の表面に形成した試験片Ｂを作製した。
【００２６】
ＢＷＲプラントの運転条件を反映した、温度２８０℃、圧力７ＭＰａの高温高圧の純水（模擬炉水）中に、２種類の試験片Ａ、Ｂを設置して５００時間浸漬した後、炭素鋼の腐食量を測定した。腐食試験は、ＮＷＣ条件（溶存酸素１００ｐｐｂ、過酸化水素２００ｐｐｂ）およびＨＷＣ条件（溶存水素５０ｐｐｂ）で行った。ＮＷＣ条件およびＨＷＣ条件は、それぞれ通常水化学条件（Normal Water Chemistry）、水素水化学条件（Hydrogen Water Chemistry）を意味する。
【００２７】
腐食量の測定は、腐食試験後に、試験片表面に腐食によって生成した鉄酸化物の皮膜をカソード電解により除去した後、重量を測定し、試験前からの重量減少を腐食量とした。
【００２８】
図２および図３は、試験片Ａ、Ｂの腐食試験の結果を示す図であり、試験片Ａ、Ｂの腐食量を相対値で示した図である。図２より、ＮＷＣ条件における腐食量は、未処理の炭素鋼の試験片Ａに対し、ＬａＣｒＯ３皮膜が形成された試験片Ｂでは約１／３に低減したことがわかる。また、図３より、ＨＷＣ条件における腐食量は、未処理の炭素鋼の試験片Ａに対し、ＬａＣｒＯ３皮膜が形成された試験片Ｂでは約１／８に低減したことがわかる。つまり、ＬａＣｒＯ３皮膜は酸化性雰囲気および還元性雰囲気のいずれにおいても腐食を抑制した。また、酸化性雰囲気および還元性雰囲気において５００時間試験した試験片Ｂの表面を分析したところ、いずれもＬａＣｒＯ３が残存していた。
【００２９】
上述したように、構造材料の表面へのＣｏ−６０の付着は、腐食によって構造材料表面に酸化皮膜が形成される際に、Ｃｏ−６０が取り込まれることによって生じる。また、一度生成した酸化皮膜がＣｏ−６０を取り込むことでも、構造材料の表面へのＣｏ−６０の付着は起こる。ＬａＣｒＯ３皮膜は酸化性雰囲気および還元性雰囲気のいずれにおいても腐食を抑制するため、ＬａＣｒＯ３皮膜は酸化性雰囲気および還元性雰囲気のいずれにおいてもＣｏ−６０の付着を抑制することができる。
【００３０】
ここで、腐食で生成する酸化皮膜は主にスピネル型酸化物であるマグネタイトやクロマイトによって構成されており、Ｃｏ−６０はこれらのスピネル型酸化物に取り込まれ、ＣｏＦｅ２Ｏ４やＣｏＣｒ２Ｏ４として付着すると言われている。一方で、ＬａＣｒＯ３の結晶構造はペロブスカイト型であるため、スピネル型酸化物である腐食によって生成する酸化皮膜に比べて、Ｃｏ−６０を取り込み難い。
【００３１】
また、配管に表面処理を施す場合、配管表面に付着した元素が溶解や剥離によって炉心に移動し、中性子との反応によって放射化する場合がある。放射化した元素は再び配管表面に付着し、配管線量率を上昇させる可能性がある。ＬａＣｒＯ３を構成するランタン（Ｌａ）は、天然に存在する９９．９％が非放射性のＬａ−１３９であり、Ｌａ−１３９は中性子との反応によって放射性のＬａ−１４０に放射化する。しかし、Ｌａ−１４０の半減期は１．７日と短く、放射化による影響が小さい。ＬａＣｒＯ３を構成するクロム（Ｃｒ）はステンレス鋼などの合金として原子炉の構造材料に既に使われているため、放射化の問題はない。
【００３２】
以上より、本発明者らは、炭素鋼の腐食を酸化性雰囲気および還元性雰囲気のいずれにおいても抑制し、配管線量率の上昇を抑制するには、ＬａＣｒＯ３皮膜によって炭素鋼を保護することが好適であると考えた。
【００３３】
そこで、本発明者らは、ＬａＣｒＯ３を炭素鋼の表面に形成する方法を検討した。
【００３４】
炭素鋼の耐えうる熱処理の温度は６００℃以下であり、それよりも高温では変形や酸化による劣化の恐れがある。例えば、酸化物を反応させて複酸化物にする場合は、高温が必要であり、Ｌａ２Ｏ３とＣｒ２Ｏ３の反応によりＬａＣｒＯ３を合成する場合、約１０００℃の処理が必要であるため、炭素鋼の処理には適さない。
【００３５】
そこで、本発明者らは、ランタン（Ｌａ）およびクロム（Ｃｒ）を含有した水酸化物前駆体を形成し、熱処理によって前述の水酸化物前駆体をＬａＣｒＯ３に転換することで、より低温で炭素鋼表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成できると考えた。また、Ｌａ２Ｏ３やＣｒ２Ｏ３の不純物を低減し、効率的にＬａＣｒＯ３を形成するには、水酸化物中のＬａおよびＣｒが１対１であることが望ましい。そこで、炭素鋼の表面にＬａとＣｒの比が１対１となる水酸化物前駆体皮膜が形成できる条件を検討した。
【００３６】
Ｌａ３＋イオンはｐＨの上昇に伴い加水分解し、沈殿を形成する。その際に２価のアニオンが共存するとＬａＯＨＡ（Ａは２価のアニオン）の化合物が調整できることが知られている。そのため、２価のアニオンであるクロム酸イオン（ＣｒＯ４２−）を取り込むことで、炭素鋼の表面にＬａとＣｒの比が１対１となる水酸化物前駆体ＬａＯＨ（ＣｒＯ４）を形成できると考えた。
【００３７】
そこで本発明者らは、炭素鋼の表面に前述の水酸化物前駆体を形成する方法として、以下のような検討を行った。
【００３８】
Ｌａ３＋イオンおよびＣｒ６＋イオンを含む水溶液、例えば硝酸ランタン（Ｌａ（ＮＯ３）３）と二クロム酸アンモニウム（（ＮＨ３）２Ｃｒ２Ｏ７）を溶解した水溶液をビーカー内に調整した。前述の水溶液は、ランタンを１５，０００ｐｐｍ、クロムを１０，０００ｐｐｍ含み、ｐＨは２〜５の範囲内にある。前述の水溶液中に炭素鋼電極と、対極として白金電極を浸漬し、炭素鋼を−１．５Ｖｖｓ．ＳＣＥ（飽和カロメル電極：Saturated Calomel Electrode）に分極して１０分間維持した。１０分後に分極を停止し、炭素鋼電極を取り出した。
【００３９】
炭素鋼電極の表面は析出物で覆われていた。この析出物を分析したところ、ランタンおよびクロムを含む水酸化物であり、溶解して金属元素を定量した結果、ランタン（Ｌａ）とクロム（Ｃｒ）が１対１で含まれていた。つまり、炭素鋼電極をカソードに分極したことで、炭素鋼電極表面の水溶液中におけるプロトン（Ｈ＋）が消費され、局所的にｐＨが上昇し、ランタンとクロムを１対１で含む水酸化物が析出した。
【００４０】
次に、前述の析出物で覆われた炭素鋼電極を、大気中、６００℃で１時間熱処理した。熱処理後の炭素鋼電極表面を分析したところ、ＬａＣｒＯ３が形成していた。すなわち、大気中、６００℃の熱処理によって、前述のランタンとクロムを１対１で含む水酸化物がＬａＣｒＯ３に変化した。
【００４１】
以上より、ランタン源として３価ランタン化合物である硝酸ランタンを用い、クロム源として６価クロム化合物である二クロム酸アンモニウムを用いて、クロム源とランタン源を含む処理液（前駆体形成液）を炭素鋼の表面に接触させて、炭素鋼の表面のｐＨを上昇させることで３価ランタン６価クロム含有水酸化物を形成することができ、３価ランタン６価クロム含有水酸化物を表面に形成した炭素鋼を大気中において６００℃で加熱することで、炭素鋼の表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成できる。
【００４２】
なお、ランタン源には、３価ランタンを含んでいれば、硝酸ランタン以外の薬剤を用いることができる。また、クロム源には、６価クロムを含んでいれば、二クロム酸アンモニウム以外の薬剤を用いることができる。ただし、クロム酸が還元されてしまうとＣｒ６＋がＣｒ３＋となり、水酸化物前駆体中のＬａとＣｒの比が変化してしまうため、還元性の高い化学種、例えばヒドラジンなどは含まないことが望ましい。
【００４３】
この結果、本発明によって、原子炉の構成部材である炭素鋼部材の炉水と接する表面（炭素鋼部材が炭素鋼配管の場合は、炭素鋼配管の内表面）にＬａＣｒＯ３皮膜を形成でき、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても腐食を抑制することができる。その結果、炭素鋼部材の表面への放射性核種の付着を好適に抑制することができる。
【００４４】
本発明は、沸騰水型原子力発電所の炭素鋼配管を使用した炉水浄化系に使用するのが最も好適であるが、この限りではなく、炉水の接する原子炉構成部材のうち、低合金鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金などの金属の表面に適用することができる。また、本発明は、沸騰水型原子力発電所だけでなく、加圧水型原子力発電所の水に接する原子炉構成部材にも同様に適用することができる。
【００４５】
本発明による放射性核種付着抑制方法は、原子力プラントの稼働前（供用の開始前、すなわち初めて運転する前）や運転停止中など、原子力プラントの運転が行われていない時期に実施することができる。以下では、一例として、原子力プラントの稼動前に実施するものとして説明する。
【実施例１】
【００４６】
本発明の実施例１による炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法とその装置構成を、図１、図４、及び図５を用いて説明する。本実施例は、本発明をＢＷＲプラントの炉水浄化系配管に適用した例であり、炭素鋼からなる浄化系配管の内表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成して、炉水中の放射性核種（特にコバルト６０とコバルト５８）の付着を抑制する例である。
【００４７】
図４は、本実施例による放射性核種付着抑制方法（皮膜形成処理方法）を適用するＢＷＲプラントの系統図である。
【００４８】
原子力発電プラントであるＢＷＲプラントは、原子炉１、タービン３、復水器４、再循環系、炉水浄化系、及び給水系を備える。原子炉１は、原子炉建屋（図示せず）内に配置された原子炉格納容器１１内に設置され、炉心１３を内蔵する原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１２を有し、ＲＰＶ１２内にジェットポンプ１４を備える。炉心１３には、多数の燃料集合体（図示せず）が装荷されている。燃料集合体は、核燃料物質で製造された複数の燃料ペレットが充填された複数の燃料棒を含む。
【００４９】
再循環系は、再循環系配管２２、及び再循環系配管２２に設置された再循環ポンプ２１を有する。給水系は、復水ポンプ５、復水浄化装置（例えば、復水脱塩器）６、給水ポンプ７、低圧給水加熱器８、高圧給水加熱器９、及び復水器４とＲＰＶ１２を接続する給水配管１０を備える。復水ポンプ５、復水浄化装置６、給水ポンプ７、低圧給水加熱器８、及び高圧給水加熱器９は、復水器４からＲＰＶ１２に向って、この順に給水配管１０に設置される。
【００５０】
炉水浄化系は、浄化系ポンプ２４、再生熱交換器２５、非再生熱交換器２６、炉水浄化装置２７、及び再循環系配管２２と給水配管１０を接続する浄化系配管２０を備える。浄化系ポンプ２４、再生熱交換器２５、非再生熱交換器２６、及び炉水浄化装置２７は、この順に浄化系配管２０に設置される。浄化系配管２０は、再循環ポンプ２１の上流で再循環系配管２２に接続される。
【００５１】
ＲＰＶ１２内の冷却水は、再循環ポンプ２１で昇圧され、再循環系配管２２を通ってジェットポンプ１４内に噴出される。ジェットポンプ１４のノズルの周囲に存在する冷却水も、ジェットポンプ１４内に吸引されて炉心１３に供給される。炉心１３に供給された冷却水は、燃料棒内の核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱される。加熱された一部の冷却水が蒸気になる。この蒸気は、ＲＰＶ１２から主蒸気配管２を通ってタービン３に導かれ、タービン３を回転させる。タービン３に連結された発電機（図示せず）が回転して、電力が発生する。
【００５２】
タービン３から排出された蒸気は、復水器４で凝縮されて水になる。この水は、給水として、給水配管１０を通りＲＰＶ１２内に供給される。給水配管１０を流れる給水は、復水ポンプ５で昇圧され、復水浄化装置６で不純物が除去され、給水ポンプ７でさらに昇圧され、低圧給水加熱器８及び高圧給水加熱器９で加熱されてＲＰＶ１２内に導かれる。抽気配管１５でタービン３から抽気された抽気蒸気が、高圧給水加熱器９及び低圧給水加熱器８にそれぞれ供給され、給水の加熱源となる。
【００５３】
再循環系配管２２内を流れる冷却水の一部は、浄化系ポンプ２４によって炉水浄化系の浄化系配管２０内に流入し、再生熱交換器２５及び非再生熱交換器２６で冷却された後、炉水浄化装置２７で浄化される。浄化された冷却水は、再生熱交換器２５で加熱されて浄化系配管２０及び給水配管１０を経て、ＲＰＶ１２内に戻される。
【００５４】
本実施例の原子力プラント構成部材の線量低減方法に用いられる皮膜形成装置３０の詳細な構成を、図５を用いて説明する。皮膜形成装置３０は、電位制御装置３１、導線３２，３３、電極３４、加熱装置３５、純水タンク４１、ランタン（Ｌａ）溶液タンク４５、クロム（Ｃｒ）溶液タンク４９、ｐＨ調整剤タンク５３、排気口５６、廃液タンク５７、送風機６１、配管３６，４０，４４，４８，５２，５５，５９，６２、弁３７，３８，４２，４６，５０，５４，５８，６０、ポンプ３９，４３，４７，５１を備えている。
【００５５】
図１は、本実施例による放射性核種付着抑制方法の手順を示すフローチャートである。本実施例による付着抑制方法を、図１および図５を用いて詳細に説明する。
【００５６】
ステップＳ１で、皮膜形成装置３０を、皮膜を形成すべき炭素鋼配管からなる配管２９に接続する。配管２９は一端を配管３６、もう一端を配管５５に接続される。配管２９には電極３４（例えば、白金電極）が挿入される。電位制御装置３１は導線３２を通じて配管２９と、導線３３を通じて電極３４と接続される。配管２９の外側に加熱装置３５が取り付けられる。配管２９が接続される配管３６と配管５５の間は配管２９の内表面に皮膜を形成する処理部となる。
【００５７】
ステップＳ２で、配管２９の内部にランタン（Ｌａ）、クロム（Ｃｒ）含有液を供給する。先ず、弁３７、３８、５４を開き、ポンプ３９を動作させて、配管４０、３６を通じて純水タンク４１から配管２９に純水を送水し、配管２９を純水で満たす。次に、弁４２を開き、ポンプ４３を動作させて、配管４４、３６を通じてＬａ溶液タンク４５から配管２９にＬａ溶液、例えば硝酸ランタン水溶液を送水する。
【００５８】
続いて、弁４６を開き、ポンプ４７を動作させて、配管４８、３６を通じてＣｒ溶液タンク４９から配管２９にＣｒ溶液、例えば二クロム酸水溶液を送水する。その後、弁５０を開き、ポンプ５１を動作させて、配管５２、３６を通じてｐＨ調整剤タンク５３から配管２９にｐＨ調整剤、例えばアンモニア水を送水する。ポンプ３９、４３、４７、５１の送水速度を調整して、配管２９を満たすＬａ、Ｃｒ含有液中のＬａ濃度、Ｃｒ濃度、ｐＨを調整する。
【００５９】
例えば、配管２９を満たす水溶液がＬａを１５，０００ｐｐｍ、Ｃｒを１０，０００ｐｐｍ含み、ｐＨは２〜５の範囲内にあるように調整する。前述のＬａ、Ｃｒ含有液を調整する際に配管２９から溢れた水溶液は、配管５５を通じて廃液タンク５７に回収する。ポンプ３９、４３、４７、５１を停止し、弁３７、３８、４２、４６、５０を閉じる。
【００６０】
ステップＳ２の間、炭素鋼配管（配管２９）をＬａ、Ｃｒ含有液に浸漬した際の自然浸漬電位を測定し、電位制御装置３１を用いて炭素鋼配管（配管２９）の内表面がその自然浸漬電位以下になるよう、アノード分極することで、Ｌａ、Ｃｒ含有液との接触による炭素鋼配管２９の腐食を抑制できる。この自然浸漬電位の測定は、事前にＬａ、Ｃｒ含有液を調整し、炭素鋼配管（配管２９）の内表面を浸漬することで求めておいても良い。
【００６１】
ステップＳ３で、配管２９の内表面にＬａＣｒ水酸化物を形成する。ステップＳ２において内部をＬａ、Ｃｒ含有液で満たした配管２９を、電位制御装置３１および電極３４を用いてカソードに分極する。電位制御装置３１は導線３３を通じた電極３４を対極として、導線３２を通じた配管２９に電圧を印加する。ここで、配管２９がカソードに分極されるように、望ましくはＬａ、Ｃｒ含有液に接した配管２９の内表面が−１．５Ｖｖｓ．ＳＣＥとなるように制御する。配管２９に電圧を印加したまま１０分間以上維持し、配管２９の内表面にＬａＣｒ水酸化物を形成する。
【００６２】
ステップＳ４で、配管２９の内部に残っているＬａ、Ｃｒ含有液を除去する。弁５８を開き、配管３６、５９、５５を通じて配管２９の内部に残ったＬａ、Ｃｒ含有液を廃液タンク５７に回収する。配管２９の内部に残ったＬａ、Ｃｒ含有液を抜き切った後、弁５８を閉じ、弁３７、３８を開き、ポンプ３９を動作させて、配管４０、３６を通じて純水タンク４１から配管２９に純水を送水する。送水された純水は配管２９を通った後、配管５５を通じて廃液タンク５７に回収される。これにより、生成したＬａＣｒ水酸化物以外の、配管２９の内表面に残った不純物を洗い流すことが出来る。純水によって配管２９の内表面の不純物を洗い流した後、ポンプ３９を停止し、弁３７、３８を閉じる。弁５８を開き、配管３６、５９、５５を通じて配管２９の内部に残った純水を廃液タンク５７に回収する。配管２９内の純水を抜き切ったら弁５８を閉じる。
【００６３】
ステップＳ５で、配管２９の内表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成する。弁６０を開き、配管６２、３６を通じて送風機６１と配管２９を接続する。送風機６１を用いて、配管６２、３６を通じて配管２９に空気を送り込む。配管２９を通過した空気は、配管５５を通じて排気口５６より装置の外に排出される。配管２９に空気を送り込んだ状態で、加熱装置３５を用いて配管２９を加熱する。この際、配管２９の温度は６００℃に制御することが望ましい。配管２９の温度が６００℃未満だと、配管２９内表面に生成したＬａＣｒ水酸化物がＬａＣｒＯ３に転換する速度が低下してしまい、配管２９の温度が６００℃より高いと、炭素鋼製の配管２９が変形や酸化により劣化する恐れがある。配管２９に空気を送り込んだ状態で配管２９を１時間、６００℃に加熱した後、加熱装置３５を停止し、送風機６１を停止する。
【００６４】
ステップＳ６で、配管２９から皮膜形成装置３０を撤去する。配管２９の一端は配管３６から、もう一端は配管５５から取り外される。配管２９から電極３４が引き抜かれ、導線３２が取り外される。配管２９外側に取り付けられていた加熱装置３５が外される。
【００６５】
ステップＳ７で、内表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成した炭素鋼配管（配管２９）をプラントに接続する。ＬａＣｒＯ３皮膜を形成した炭素鋼配管（配管２９）を、例えば、ＢＷＲプラントの浄化系配管２０の一部として配置し、この炭素鋼配管（配管２９）の両端を連続する浄化系配管２０の端面にそれぞれ溶接にて接続する。
【００６６】
ステップＳ８で、ＢＷＲプラントの運転を開始する。ＢＷＲプラントの運転開始により、一部がＬａＣｒＯ３皮膜を形成した炭素鋼配管である浄化系配管２０の内部を、Ｃｏ−６０を含む２８０℃の炉水が流れる。起動試験時など水素注入を実施していない場合には炉水は酸化雰囲気、水素注入運転時には炉水は還元雰囲気となる。
【００６７】
炭素鋼配管２９の内表面に形成された、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても安定なＬａＣｒＯ３皮膜が炭素鋼配管の内表面を炉水から保護するため、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても配管２９の腐食が抑制され、配管２９へのＣｏ−６０の付着が抑制される。
【００６８】
なお、本実施例では、ステップＳ３においてカソード分極により電極表面のｐＨを上昇させ、炭素鋼表面にＬａＣｒ水酸化物を析出させたが、ｐＨ調整剤を用いてｐＨを上昇させることでＬａＣｒ水酸化物を析出させてもよい。この場合、ｐＨ調整剤によるｐＨの上昇で配管２９の内表面のみならず、Ｌａ、Ｃｒ含有液全体のｐＨが上昇するため、配管２９の内表面以外にＬａ、Ｃｒ含有液中にもＬａＣｒ水酸化物が生成する。そのため、配管２９の内表面におけるＬａＣｒ水酸化物生成の効率は低下する。一方で、ｐＨ調整剤を用いてｐＨを上昇させることでＬａＣｒ水酸化物を析出させる場合、電位制御装置３１、導線３２、３３、電極３４が不要になり、皮膜形成装置３０を小型化できるメリットがある。
【実施例２】
【００６９】
本発明の実施例２による炭素鋼部材への放射性核種の付着抑制方法とその装置を、図４、図５、及び図６を用いて説明する。本実施例は、本発明をＢＷＲプラントの炉水浄化系配管に適用した例であり、炭素鋼からなる浄化系配管の内表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成して、炉水中の放射性核種（特にコバルト６０とコバルト５８）の付着を抑制する例である。本実施例では、運転停止中のＢＷＲプラントにＬａＣｒＯ３皮膜を形成した炭素鋼配管を接続し、放射性核種の付着を抑制する。
【００７０】
図４は、本実施例による放射性核種付着抑制方法（皮膜形成処理方法）を適用するＢＷＲプラントの系統図である。図５は、本実施例による皮膜形成装置３０の機器系統構成を示す図である。図４および図５に示すＢＷＲプラントおよび皮膜形成装置３０の構成は実施例１で説明した通りである。
【００７１】
図６は、本実施例による放射性核種の付着抑制方法の手順を示すフローチャートである。図６において、図１と同一のステップ番号は、図１の処理と同一の又は対応する処理を示す。本実施例による付着抑制方法を、図７および図４を用いて詳細に説明する。以下では、実施例１での処理と異なる処理について説明する。
【００７２】
ステップＳ１からステップＳ６までは、実施例１と同様である。ただし、ステップＳ７は、次の点（ステップＳ７Ａ）が実施例１と異なる。
【００７３】
ステップＳ７Ａでは、ステップＳ６までにＬａＣｒＯ３皮膜を形成した配管２９を、運転停止中のＢＷＲプラントに接続する。配管２９の取り替え対象となる部分を切断し、浄化系配管２０から撤去する。ＬａＣｒＯ３皮膜を形成した配管２９を、ＢＷＲプラントの浄化系配管２０の一部として配置し、この炭素鋼配管２９の両端を連続する浄化系配管２０の端面にそれぞれ溶接にて接続する。浄化系配管２０のうち、配管２９の取り替え対象となる部分の配管線量率が高く、交換作業が困難な場合、ステップＳ７Ａに先立ち、浄化系配管２０の内面を除染することで、配管線量率を下げてからステップＳ７Ａを実施してもよい。
【００７４】
ステップＳ８は、実施例１と同様の処理を行う。以上の処理を実施することで、実施例１と同様に、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても配管２９の腐食が抑制され、配管２９へのＣｏ−６０の付着が抑制される。
【００７５】
また、本実施例では既に稼動しているプラントに対して、放射性核種付着抑制効果を得ることができる。
【実施例３】
【００７６】
本発明の実施例３によるニッケル（Ｎｉ）基合金部材への放射性核種の付着抑制方法とその装置を、図４、図５、及び図７を用いて説明する。上述したように、本発明は、炭素鋼を素材とする配管部材に使用するのが最も好適であるが、この限りではなく、炉水の接する原子炉構成部材のうち、低合金鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金などの金属の表面にも適用できる。従って、例えば、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）や配管にニッケル基合金を用いた場合にも有効である。
【００７７】
本実施例は、本発明をＢＷＲプラントの炉水浄化系配管に適用した例であり、ニッケル（Ｎｉ）基合金からなる浄化系配管の内表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成して、炉水中の放射性核種（特にコバルト６０とコバルト５８）の付着を抑制する例である。
【００７８】
図４は、本実施例による放射性核種付着抑制方法（皮膜形成処理方法）を適用するＢＷＲプラントの系統図である。図５は、本実施例による皮膜形成装置３０の機器系統構成を示す図である。図４および図５に示すＢＷＲプラントおよび皮膜形成装置３０の構成は実施例１及び実施例２で説明した通りである。
【００７９】
図７は、本実施例による放射性核種の付着抑制方法の手順を示すフローチャートである。図７において、図１と同一のステップ番号は、図１の処理と同一の又は対応する処理を示す。本実施例による付着抑制方法を、図７および図５を用いて詳細に説明する。以下では、実施例１での処理と異なる処理について説明する。
【００８０】
実施例１では、ステップＳ１において皮膜形成装置３０に炭素鋼配管である配管２９を接続したが、本実施例ではステップＳ１Ｂにおいて皮膜形成装置３０にニッケル（Ｎｉ）基合金配管である配管２９を接続し、配管２９の内表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成する。ステップＳ２からステップＳ６までは、実施例１と同様である。
【００８１】
ステップＳ７Ｂで、内表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成したニッケル（Ｎｉ）基合金配管（配管２９）をプラントに接続する。ＬａＣｒＯ３皮膜を形成したニッケル（Ｎｉ）基合金配管（配管２９）を、例えば、ＢＷＲプラントの浄化系配管２０の一部として配置し、このニッケル（Ｎｉ）基合金配管（配管２９）の両端を連続する浄化系配管２０の端面にそれぞれ溶接にて接続する。
【００８２】
ニッケル（Ｎｉ）基合金配管２９の内表面に形成された、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても安定なＬａＣｒＯ３皮膜がニッケル（Ｎｉ）基合金配管の内表面を炉水から保護するため、酸化雰囲気および還元雰囲気のいずれにおいても配管２９の腐食が抑制され、配管２９へのＣｏ−６０の付着が抑制される。
【００８３】
なお、本実施例ではニッケル（Ｎｉ）基合金配管の内表面にＬａＣｒＯ３皮膜を形成する例を示したが、例えば、ニッケル（Ｎｉ）基合金製の核燃料集合体用スペーサに適用することも可能である。ニッケル（Ｎｉ）基合金製スペーサに適用した場合、スペーサ表面がＬａＣｒＯ３皮膜により保護されるため、スペーサからのニッケル（Ｎｉ）の溶出を抑制することができる。
【００８４】
また、本発明は、上記の各実施例で説明したように、ランタン（Ｌａ）およびクロム（Ｃｒ）によるＬａＣｒＯ３皮膜の形成が最も好適であるが、ランタン（Ｌａ）に替えて、セリウム（Ｃｅ）などのランタノイドを用いることも可能である。
【００８５】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１…原子炉、２…主蒸気配管、３…タービン、４…復水器、５…復水ポンプ、６…復水浄化装置、７…給水ポンプ、８…低圧給水加熱器、９…高圧給水加熱器、１０…給水配管、１１…原子炉格納容器、１２…原子炉圧力容器（ＲＰＶ）、１３…炉心、１４…ジェットポンプ、１５…抽気配管、２０…浄化系配管、２１…再循環ポンプ、２２…再循環系配管、２３、２４…浄化系ポンプ、２５…再生熱交換器、２６…非再生熱交換器、２７…炉水浄化装置、３０…皮膜形成装置、３１…電位制御装置、３２，３３…導線、３４…電極、３５…加熱装置、２９，３６，４０，４４，４８，５２，５５，５９，６２…配管、３７，３８，４２，４６，５０，５４，５８，６０…弁、３９，４３，４７，５１…ポンプ、４１…純水タンク、４５…ランタン（Ｌａ）溶液タンク、４９…クロム（Ｃｒ）溶液タンク、５３…ｐＨ調整剤タンク、５６…排気口、５７…廃液タンク、６１…送風機。
【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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