(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉と、
前記原子炉の圧力容器内で発生する蒸気を利用する蒸気タービンと、
水または蒸気に含まれていた腐食生成物を表面に捕捉して表面に強固に付着させ、放射能となる腐食生成物を前記水または蒸気から除去する分離除去装置と、を備え、
前記分離除去装置は、腐食生成物を捕捉して付着させるためにＴｉＯ２からなる表面を有するとともに、高温水または蒸気が共存する条件下で安定な前記ＴｉＯ２を放射性イオンに対するイオン交換物質として用いた高温水浄化装置として構成されており、
前記高温水浄化装置は、前記圧力容器内に配置されるとともにその間を放射性物質を含む混相流が通過する複数の波板を有する蒸気乾燥器の前記波板に設けられており、
前記波板の表面には、前記イオン交換物質としての前記ＴｉＯ２がＳｉＯ２とともに設けられていることを特徴とする、原子力プラントシステム。
【請求項２】
原子炉と、
前記原子炉の圧力容器内で発生する蒸気を利用する蒸気タービンと、
水または蒸気に含まれていた腐食生成物を表面に捕捉して表面に強固に付着させ、放射能となる腐食生成物を前記水または蒸気から除去する分離除去装置と、を備え、
前記分離除去装置は、腐食生成物を捕捉して付着させるためにＴｉＯ２またはＺｒＯ２からなる表面を有するとともに、高温水または蒸気が共存する条件下で安定な前記ＴｉＯ２またはＺｒＯ２を放射性イオンに対するイオン交換物質として用いた高温水浄化装置として構成されており、
前記高温水浄化装置は、前記圧力容器内に配置されるとともにその間を放射性物質を含む混相流が通過する複数の波板を有する蒸気乾燥器の前記波板に設けられており、
前記波板には、所定時間運転後の前記波板の表面に付着したｎ型半導体酸化物を除去して前記波板の表面に付着したｐ型酸化膜を露出させた後、前記イオン交換物質としての前記ＴｉＯ２またはＺｒＯ２を付着させる処理が施されていることを特徴とする、原子力プラントシステム。
【請求項３】
原子炉と、
前記原子炉の圧力容器内で発生する蒸気を利用する蒸気タービンと、
水または蒸気に含まれていた腐食生成物を表面に捕捉して表面に強固に付着させ、放射能となる腐食生成物を前記水または蒸気から除去する分離除去装置と、を備え、
前記分離除去装置は、腐食生成物を捕捉して付着させるためにＴｉＯ２またはＺｒＯ２からなる表面を有するとともに、高温水または蒸気が共存する条件下で安定な前記ＴｉＯ２またはＺｒＯ２を放射性イオンに対するイオン交換物質として用いた高温水浄化装置として構成されており、
前記高温水浄化装置は、前記圧力容器内に配置されるとともにその間を放射性物質を含む混相流が通過する複数の波板を有する蒸気乾燥器の前記波板に設けられており、
前記高温水浄化装置は、前記波板の間に電界または磁界を作用させる手段を有しており、前記混相流に含まれる放射能を含む微小粒子を前記電界または磁界により前記波板に向けて移動させることを特徴とする、原子力プラントシステム。
【請求項４】
前記波板の間に電界または磁界を作用させる手段に用いる電源として、前記波板に付着させたｎ型半導体である前記ＴｉＯ２またはＺｒＯ２と、前記波板表面に腐食によって生成されたｐ型半導体である腐食皮膜とから構成された光電池を形成したことを特徴とする、請求項３に記載の原子力プラントシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉から蒸気・タービン系への放射能の移行を低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力プラントにおいては、運転時および定期検査時の被曝を低減することが重要である。これまでに、主としてＣo-60の炉水放射能濃度の低減や原子炉水系統への放射能の移行低減の対策として、種々の材料対策、水質制御対策、浄化装置の改善がなされてきている。しかし、主蒸気・タービン系統への放射能移行低減の対策についてはこれまでになされていない。
【０００３】
以下に、図１および図２を参照して現行の原子力プラントシステムにおける蒸気系への放射能移行のメカニズムとその寄与率を示し、解決すべき課題について説明する。
【０００４】
図１に示すように、現状では、原子炉圧力容器（以下「圧力容器」という）９内の炉心部１０で生成された放射性物質は、一部は炉水浄化装置５で除去される。一方、生成された放射性物質の大部分は、飽和水が循環している圧力容器９内の機器、圧力容器９の内壁および炉水浄化装置５の上流側配管に付着する。また、極く一部であるが、原子炉水に溶解しているイオンまたは分子状の放射性物質は、蒸気分圧を持っているため蒸気とともに揮発する。
【０００５】
一方、液滴は気水分離器４およびドライヤー３で大半が除去されるが、極く一部（０．１％以下）は飛沫としてタービン系の入口にある蒸気バルブ１を通って蒸気タービン系などを汚染する。また、最近では原子炉停止時に早く温度を下げる運転がなされており、この時には放射能レベルの高い炉水浄化装置５の出口水がヘッドスプレーノズル６から噴霧されるため、飛散した液滴に含まれている放射能が蒸気系に移行することになる。
【０００６】
次に、図２を参照して、蒸気系への液滴の移行に密接に関連したドライヤー（蒸気乾燥器）３での液滴挙動について述べる。図１に示す気水分離器４を通過した液滴を含む蒸気（湿り度１０％以下）は、蒸気侵入穴２０で分散され、波板２２の収められた部位を通過して、圧力容器９の上部を通過して蒸気系配管１１へと導かれる。質量の大きい液滴は、波板構造に沿った蒸気の流れとともに方向を変えようとするが、慣性力により波板２２に衝突する際に波板２２に捕捉され、波板２２壁を伝って底部のドレンパン２４に集められて、ドレン管２５により炉水に戻される。
【０００７】
しかし、波板２２間の隙間部での流速が速い（滞在時間が短い）と、微細な粒径の液滴は衝突せずに通過する。また、流速が速いと、波板２２に衝突して付着した液滴や放射性物質が、蒸気流れによる剪断力によって剥離して蒸気系へと運ばれてしまう。
【０００８】
従って、実プラントでの蒸気系への放射能移行率は、水中に溶解している放射性物質の気液分配率から計算される値より高い。蒸気系への放射能移行要因をまとめると下記の３つの事象、すなわち、(ｉ)炉水に溶解している放射能（溶解放射能）の蒸発による蒸気系への移行、(ii)液滴がドライヤーなどの機器・装置に一旦衝突した後に液滴として再離反するか又は乾燥後付着した放射能が剥離して蒸気系へ移行、（iii）ヘッドスプレーにより飛散した液滴等の蒸気系へ移行、に集約され、それぞれの寄与率は１：３：１である。
【０００９】
ところで、最近、経済性の観点から、機器のサイズを変更することなく高出力化や高温・高圧化を計りたいなどの新しいニーズも生じつつある。しかし、上記の事項を勘案すれば、原子炉の高出力化を行った場合には気水分離器やドライヤーの液滴性能が不十分となり、結果として蒸気系への放射能の移行が増大することが容易に推測できる。なお、高温・高圧化をさらにおしすすめた場合には、超臨界状態になる。この場合、超臨界水中の粒子状または溶解した放射能は、適当な分離・除去装置を設けない限り、１００％蒸気系へ移行してしまうことになる。このため、超臨界炉では高温水浄化装置（本明細書では「高温で使用可能な、水または蒸気中の放射能を分離・除去する装置」を意味する用語として用いる。
）は最も重要な機器の一つとなってくる。
【００１０】
これまでにも、熱ロスを伴わない高温水浄化装置が各種提案されてきている。
しかし、いずれの装置も、腐食生成物の捕捉やタービン系に使用する有機物質の汚染による差圧上昇、高温水の水化学的不安定性によるろ過剤やフィルター材質の溶出や腐食酸化による体積膨張に起因する細穴形状の変化による性能劣化を回避できず寿命が短い。また捕捉容量が小さく浄化性能の経時低下の問題もあり実用化には至っていないのが現状である（文献「ポール発電用フィルターガイド」ｐ８（日本ポール株式会社）参照）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、その目的は原子炉から蒸気タービン系への放射能の移行を低減する手段を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、原子炉と、前記原子炉の圧力容器内で発生する蒸気を利用する蒸気タービンと、水または蒸気に含まれていた腐食生成物を表面に捕捉して表面に強固に付着させ、放射能となる腐食生成物を前記水または蒸気から除去する分離除去装置と、を備え、前記分離除去装置は、腐食生成物を捕捉して付着させるためにＴｉＯ２からなる表面を有するとともに、高温水または蒸気が共存する条件下で安定な前記ＴｉＯ２を放射性イオンに対するイオン交換物質として用いた高温水浄化装置として構成されており、前記高温水浄化装置は、前記圧力容器内に配置されるとともにその間を放射性物質を含む混相流が通過する複数の波板を有する蒸気乾燥器の前記波板に設けられており、前記波板の表面には、前記イオン交換物質としての前記ＴｉＯ２がＳｉＯ２とともに設けられている原子力プラントシステムを提供する。
【００１３】
また、本発明は、原子炉と、前記原子炉の圧力容器内で発生する蒸気を利用する蒸気タービンと、水または蒸気に含まれていた腐食生成物を表面に捕捉して表面に強固に付着させ、放射能となる腐食生成物を前記水または蒸気から除去する分離除去装置と、を備え、前記分離除去装置は、腐食生成物を捕捉して付着させるためにＴｉＯ２またはＺｒＯ２からなる表面を有するとともに、高温水または蒸気が共存する条件下で安定な前記ＴｉＯ２またはＺｒＯ２を放射性イオンに対するイオン交換物質として用いた高温水浄化装置として構成されており、前記高温水浄化装置は、前記圧力容器内に配置されるとともにその間を放射性物質を含む混相流が通過する複数の波板を有する蒸気乾燥器の前記波板に設けられており、前記波板には、所定時間運転後の前記波板の表面に付着したｎ型半導体酸化物を除去して前記波板の表面に付着したｐ型酸化膜を露出させた後、前記イオン交換物質としての前記ＴｉＯ２またはＺｒＯ２を付着させる処理が施されている原子力プラントシステムを提供する。
【００１４】
更に、本発明は、原子炉と、前記原子炉の圧力容器内で発生する蒸気を利用する蒸気タービンと、水または蒸気に含まれていた腐食生成物を表面に捕捉して表面に強固に付着させ、放射能となる腐食生成物を前記水または蒸気から除去する分離除去装置と、を備え、前記分離除去装置は、腐食生成物を捕捉して付着させるためにＴｉＯ２またはＺｒＯ２からなる表面を有するとともに、高温水または蒸気が共存する条件下で安定な前記ＴｉＯ２またはＺｒＯ２を放射性イオンに対するイオン交換物質として用いた高温水浄化装置として構成されており、前記高温水浄化装置は、前記圧力容器内に配置されるとともにその間を放射性物質を含む混相流が通過する複数の波板を有する蒸気乾燥器の前記波板に設けられており、前記高温水浄化装置は、前記波板の間に電界または磁界を作用させる手段を有しており、前記混相流に含まれる放射能を含む微小粒子を前記電界または磁界により前記波板に向けて移動させる原子力プラントシステムを提供する。
【００１５】
前記波板の間に電界または磁界を作用させる手段に用いる電源として、前記波板に付着させたｎ型半導体である前記ＴｉＯ２またはＺｒＯ２と、前記波板表面に腐食によって生成されたｐ型半導体である腐食皮膜とから構成された光電池を形成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
既に建設して運転しているプラントでは、新たに放射性物質を分離・除去する装置を設置する場所を設けることはスペースの問題や経済的な理由などにより難しい。しかし、原子炉圧力容器内９に収納されている気水分離器４やドライヤー３などの改善や交換による高性能化によって蒸気系への放射能移行の低減を図ることは可能である。以下、放射能移行寄与率の大きい液滴がドライヤー３などの機器・装置に一旦衝突した後、液滴として離反または乾燥後付着した放射能が剥離して蒸気系へ移行する減少を防止する手法について説明する。
【００１８】
以下に、図２を参照して、ドライヤー３の波板２２の表面に、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、フェライト等の物質を形成することによりドライヤー３を改良した実施形態について説明する。なお、この改良は、ドライヤー３の波板２２の表面に限らず、他の部材の表面にも施すことも可能である。
【００１９】
ＴｉＯ２、ＺｒＯ２およびフェライトは、高温水または蒸気中で化学的に安定であり、下記の機能が長期間にわたって持続するという利点がある。
【００２０】
ＴｉＯ２は、イオン交換性能および／または超親水性を示す物質である。また、特に、ＴｉＯ２は高温イオン交換体として使用される物質であり、バインダーとしてのＳｉＯ２とともに使用すると超親水性を示すことは良く知られている。
超親水性を持った物質を設けることにより、付着した液滴は壁面に広がるため蒸気の流れからの剪断力を受けにくくなり再剥離しにくくなる。また、液滴に含まれていた腐食生成物が、乾燥後平坦化して表面に強固に付着するという効果も得られる。
【００２１】
また、ＴｉＯ２はイオン交換性能も具備しているため、粒子状の放射性物質も捕捉することができる。このため、放射性物質はバインダー物質になるイオン状の腐食生成物となって波板２２の表面に強固に付着する。この効果により、付着放射能の剥離を防止できる。蒸気系に移行する主な放射性物質は、
Ｃｏ-60／Ｃo-58およびＭｎ-54等の炉水中においてイオン状の放射性物質であるため、ＴｉＯ２の適用は効果的である。
【００２２】
なお、イオン交換性能はフェライトおよびＺｒＯ２も具備している。
【００２３】
また、ＴｉＯ２およびＺｒＯ２は、放射線（例えばＮ-16が発する強いガンマ線）および放射線から生成されたチェレンコフ光を受けることによって、光触媒作用により有機物を分解する作用がある。タービン系統には油類などの有機物が使われているため、有機物分解作用を有する物質を用いることにより、洗浄等の作業等を行うことなく前述した親水性およびイオン交換性を維持することができ、機器メンテナンスの必要性を大幅に低減することができる。
【００２４】
ＴｉＯ２は鋼の添加成分として使用されている物質であり、腐食反応により表面に酸化物として形成されやすい物質であり、１０−４Ｍpa程度の微量空気を含んだ環境下において高温酸化することにより材料の表面に形成することができる。従って、化学成分を適宜調整した材料（例えばＴｉを含む鋼板）から波板２２を形成し、これを高温酸化させることにより表面にＴｉＯ２が形成された波板２２を得ることができる。なお、ＴｉＯ２をＳｉＯ２バインダとともに形成する場合には、例えばＴｉおよびＳｉを含む鋼板から波板２２を形成し、これを高温酸化させればよい。なお、ＴｉＯ２およびＳｉＯ２を極細の繊維状に形成し、上記波板２２の表面を覆う層を形成してもよい。この場合、繊維同士の間に毛細管現象により水がしみ込むため、蒸気の流れからの剪断力を受けにくくなり再剥離しにくくなる。また、液滴に含まれていた腐食生成物が、乾燥後、繊維間に捕捉され続けるという利点もある。
【００２５】
また、波板２２の表面に、ＴｉＯ２を形成しやすい物質、例えばＴｉまたはＴｉ合金の層を形成し、Ｔｉを高温酸化させることにより波板２２の表面にＴｉＯ２を形成することも可能である。ＴｉまたはＴｉ合金層の形成は、公知の物理的方法（例えば溶射）や化学的方法により可能である。なお、ＴｉＯ２をＳｉＯ２バインダとともに形成する場合には、例えばＴｉＯ２およびＳｉＯ２を形成しやすい金属を物理的方法や化学的方法により波板２２表面に付与して、これを高温酸化させればよい。
【００２６】
この方法は、ＺｒＯ２を形成する場合にも用いることができる。すなわちＺｒＯ２を形成する場合には、物理的方法または化学的方法により波板２２の表面にＺｒまたはＺｒ合金の層を形成し、Ｚｒを高温酸化させればよい。
【００２７】
なお、フェライトは、ステンレス鋼などの鉄基合金やインコネルなどのＮｉ基合金を高温酸化させることにより形成することができる。
【００２８】
なお、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２およびフェライトは、既に運転されているプラントで所定時間使用後の波板２２にも適用することができ、上記と同様の効果を得ることができる。この場合には、ジェット洗浄などにより波板２２表面に生成され比較的ルースに付着したｎ型半導体酸化物を除去し、タイトに付着したｐ型酸化膜を露出させる。しかる後、遠隔操作が可能なノズルによる吹きつけや溶射などの手法によりＴｉＯ２、ＺｒＯ２およびフェライト等を付着させればよい。
【００２９】
なお、上記で説明した捕捉率向上方法は、一度捕捉した液滴または放射性物質を逃がさないことにより捕捉効率を向上させるものである。次に、液滴または放射性物質を積極的に捕捉することにより捕捉効率を向上させる方法について説明する。
【００３０】
極微小の水滴やイオンや分子などの帯電物質は、微細であり放射能を帯びているため帯電しやすい。荷電粒子は、図３に示すような電場Ｅ内にある場合に、または図３に示すような磁場Ｈ内にある場合、電場Ｅおよび磁場Ｈにそれぞれ直交する方向に力Ｆを受けるため、これを利用することにより波板２２に荷電粒子を移動させることができる。
【００３１】
なお、電場を利用した放射性物質の捕集は放射線モニターにも応用され、電場を利用した微細粉体の捕集については化学工学装置で広く利用されている技術である。また、磁場を利用して粒子を移動させる技術は荷電粒子の加速器に用いられている。
【００３２】
図２に示すドライヤー３の場合、具体的には、波板２２が取り付けられる固定棒２３を絶縁体により形成し、波板２２をドライヤー容器から絶縁するとともに各波板２２間に電圧を付与することにより荷電粒子を集塵することが可能となる。
【００３３】
このような機能を実現するためには、電源が必要である。電源としては外部電源を利用することもできるが、以下のような構成とすることにより、外部電源を省略することも可能となる。すなわち、例えば、前述したように所定時間使用した波板２２表面ジェット洗浄などにより波板２２表面に生成され比較的ルースに付着したｎ型半導体酸化物を除去し、タイトに付着したｐ型酸化膜を露出させて、その後ＴｉＯ２またはＺｒＯ２を付着させる。ここでＴｉＯ２およびＺｒＯ２はｎ型半導体であるため、この半導体領域への放射能の直接入射または放射能より生成されたチェレンコフ光により励起され、電子とホールを分離されて発電された電気を使用できる。すなわち、積層されたｐ型酸化膜とｎ型半導体酸化物により構成された光電池により発電された電力を電源として利用することができる。
【００３４】
なお、上記の説明においては、ｐ型酸化膜が実機運転時の高温酸化により形成されたものとしているが、ｐ型酸化膜は新品時に人為的に形成したものであってもよい。
【００３５】
また、捕捉効率を向上させる手法としては、上述した物理的および化学的手法だけでなく、波板２２の幾何学的形状を変更する手法も考えられる。
【００３６】
現行設計では、ドライヤー３の波板２２への単水分子の衝突確率は５％程度と小さい。流れ条件が現行と同一であれば、単純に２０倍の接液面積にすれば、ほぼ１００％衝突させることができるわけである。図２の波板２２の厚みを機械強度を考え適正値に薄くすることにより接液面積を増大させることができる。
【００３７】
この手法は、混相流に含まれる極微小の水滴やイオンや分子など物質のうち、の波板２２表面への移行速度が小さい物質の分離・除去性能を向上させる上で有効である。この場合、一般に材料の接液面積を大きくすると差圧の上昇がさけられないという問題はあるものの、水または蒸気中の放射性物質の衝突確率を増加させ捕捉効率を高めることが可能となる。
【００３８】
なお、本実施形態においてはドライヤー３の波板２２の改良を例にとって説明したが、本実施形態に係る技術は、原子炉圧力容器の内壁自体、または原子炉容器の内部もしくは外部に設置される水、蒸気、そして水および蒸気を含む混相流が通過する他の機器にも適用することが可能である。すなわちこのような機器等の水または蒸気と接する面にＴｉＯ２、ＺｒＯ２またはフェライト等の物質を付与することにより、同等またはこれに準じた効果を得ることができる。
【００３９】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、高温で使用可能なフィルターすなわち高温フィルターを具備した高温水浄化装置の改良に関するものである。
【００４０】
図５（ａ）は、本発明による高温水浄化装置の構成を概略的に示す断面図である。図５に示す高温水浄化装置は、液体状態の高温水を浄化する用途に適している（蒸気に適用できないわけではない）。図５に示すように、高温水浄化装置４０は、高温フィルターとして複数の中空膜管３０を有している。
【００４１】
この中空膜管３０は、図４に示すように、その外層として、微細な粒子を捕捉する差圧のたちやすい微細な孔のあいた薄いスキン層３１を持ち、その内層としてスキン層３１を保持する基質層３２を持った２層構造となっている。基質層３２は、スキン層３１の孔よりも大きな多数の微細な空隙を有している。基質層３２は円筒形状を有しており、従って中央部は空洞３３となっている。
【００４２】
スキン層３１の細孔の大きさは０．４５μｍ以下であることが望ましい。炉水中の粒子状の放射性物質および腐食生成物の大きさは、そのほとんどが０．４５μｍ以上であり、スキン層３１の細孔の大きさがこれ以下であれば孔を閉塞することなく表面ろ過ができるからである。
【００４３】
なお、図４では、中空膜管３０を２層構造としたが、これに限定されるものではなく、多層構造としてもよい。
【００４４】
スキン層３１および基質層３２は、高温水が存在する環境下で安定な、金属（純金属またはその合金）、複合材料およびセラミックス等からなる多孔質体により形成することができる。具体的には、フェライト酸化物、ＴｉＯ２およびＺｒＯ２等の酸化物により形成することができる。またはこれらの酸化物を生成する金属、またはステンレス鋼などのＦｅ基合金、Ｆｅを含むＮｉ基合金、Ｔｉ合金、Zrcaloy等の合金材料を用いることができる。これらの材料は加工性が高いので、複雑な中空膜形状で適切な中空膜構造を持つフィルターを製造できる。
【００４５】
なお、基質部３２は、粒状、板状、リボン状、繊維状形状材料による隙間、網目、ハニカムあるいはモノリスなどの構造を持つ多穴質体に形成することが好ましい。
【００４６】
微細な粒子がスキン層３１によりろ過され、かつスキン層３１の孔がこの微細粒子により塞がれないように、スキン層３１の孔の径はスキン層３１の捕捉対象となる微細粒子の径より小さく設定される。スキン層３１は、基質層３２の外表面に薄いファインセラミックスやファイン金属をコーティングし焼成する（金属をコーティングする場合は腐食後に孔径が適切な範囲になるように腐食前の孔形状を調整する）こと等によっても生成することができる。
【００４７】
なお、中空膜管３０は、上記のように明確に区分される複数の層から形成する必要は必ずしもなく、外層から内層に空隙の大きさに傾斜機能を持たせた構造（空隙の大きさが順次変化する（外層側の方が小さい）構造）となっていてもよい。この場合も、最外周の細孔の大きさは、０．４５μｍ以下であることが望ましい。
【００４８】
なおこの場合、中空膜管３０は、金属、合金ないし複合材料で作った原型中空膜を円筒形状ないしプリーツ形状に加工し中空膜管にした後、高温大気ないし水蒸気を含む大気中で腐食酸化させ最外表面の孔径を所定の大きさに調整することによっても形成することができる。
【００４９】
また、中空膜管の外周面および／または内周面にストレーナーを設けることも好ましい。このようにすれば、中空膜管３０の基質層３２に微少な破損が生じた場合、この破損物質が流出することを防止することができ、またろ過材を中空膜管３０の外表面に安定して保持することができる。
【００５０】
再度図５を参照する。高温水浄化装置４０は容器４０Ａを有しており、容器４０Ａの上部の一側には取水口４２が、他側には逆洗水注入口４８が設けられている。容器４０Ａの底部には、ドレン水口４７が設けられている。また、容器４０Ａの下部には給水口４１が設けられている。なお、給水口４１には給水ライン（例えば給水管）４１Ａを介して汚染度の高い水が供給され、取水口４２からはこの高温水浄化装置４０により浄化された水が排水ライン（例えば排水管）４２Ａを介して排出されるようになっている。給水ライン４１Ａと排水ライン４２Ａとは、プリコートポンプ（例えばミキシングポンプ）４９Ｂが介装されたバイパスライン４９Ａに接続されている。プリコートポンプ４９Ｂには、後に詳述するろ過材を容器４０Ａに送り込むためのろ過材供給源４９Ｃが接続されている。
【００５１】
容器４０Ａ内の取水口４２および逆洗水注入口４８より低い位置に、水平方向に延びる上部支持板４４が設けられている。上部支持板４４には複数の穴が形成されており、各穴に中空膜管３０の上端が差し込まれるようになっている。なお、容器４０Ａの上部支持板４４の上側の空間と下側の空間は上部支持板４４により完全に仕切られており、前記上側の空間と下側の空間との間の水の移動は中空膜管３０を介してのみ可能となっている。
【００５２】
容器４０Ａ内の給水口４１より低くかつドレン水口４７より高い位置に、水平方向に延びる下部支持板４３が設けられている。下部支持板４３には複数の穴が形成されている。下部支持板４３は穴の開いていない部分で、中空膜管３０の下端を支持しており、下部支持板４３は中空膜管３０の下端を閉塞している。従って、容器４０Ａの下部支持板４３の上側の空間と下側の空間との間の水の移動は下部支持板４３の穴を介してのみ可能となっている。
【００５３】
なお、図５では、上部支持板４４および下部支持板４３が容器４０Ａ内に固定されおり、中空膜管３０が上部中空膜管支持板４４と下部中空膜管支持板４３との間に保持される構造になっているが、上部支持板４４、下部支持板４３および中空膜管３０を一体化してカートリッジタイプにし、一括交換ができる構造にしてもよい。なお、高温水浄化装置４０の容器４０Ａの頭部を着脱可能な構造、例えばフランジ構造にしておけば交換が容易である。なお、このようなフランジ構造を採った場合には、中空膜管３０のみを交換することも可能である。
【００５４】
次に、作用について説明する。
【００５５】
まず、ろ過材供給源４９Ｃからバイパスライン４９Ａにろ過材を送り込み、プリコートポンプ４９Ｂによりバイパスライン４９Ａ中の水と混合する。この混合水を給水口４１から容器４０Ａ内に送り込み、取水口４２から取り出し、バイパスライン４９Ａに戻すように循環させる。この過程で中空膜管３０を通過できないろ過材が中空膜管３０の表面にトラップされ、これにより図５（ｂ）に示すように中空膜管３０の表面にろ過材プリコート層３３が形成される。
【００５６】
ここで用いられるろ過材に少なくとも要求されることは、高温水条件下で安定であることと、かつイオン交換性能を有していることである。従って、ろ過材としては、ヘマタイト（Ｆｅ２Ｏ３）、マグネタイト（Ｆｅ２Ｏ４）およびニッケルフェライト（ＮｉＦｅ２Ｏ４）などのフェライト酸化物、並びにＴｉＯ２およびＺｒＯ２酸化物を用いることが好ましい。特に、ＴｉＯ２については、第１の実施形態で説明したように、チェレンコフ光による光触媒反応による有機物分解効果も期待できる。
【００５７】
なお、上述したような酸化物を形成する主成分がＦｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ等の純金属、これら金属の合金（例えばステンレス鋼）、またはこれら金属（純金属若しくは合金）を含む複合材料をろ過材として用いることも可能である。
【００５８】
なお、中空膜管３０のスキン層の孔径を０．４５μｍ以上に設定したことを考慮すると、ろ過材が中空膜管３０の細孔を閉塞させないようにには、ろ過材の粒径は１μｍ以上とすることが好ましい。
【００５９】
なお、ろ過剤粒子としては、イオン交換性能の確保および差圧上昇を抑制するうえで、比表面積が大きく、空隙率の大きいろ過剤が望ましい。
【００６０】
なお、粒径の大きなセラミックスを作ることは困難であるため、中空膜管３０の微細孔径以上の物質であれば或程度ろ過剤を容器４０Ａ内にとどめることができるということを考慮すると、１μｍ程度の大きいろ過剤は、比表面積が大きく、空隙率の大きい（ポーラスな）微粉体で構成しても良い。このようなろ過剤粒子は、１μｍ以下の粒径の微細な粒子を焼結することにより得ることができ、経済的にも有利である。
【００６１】
ろ過材プリコート層３３が形成されたら、バイパスライン４９Ａと給水ライン４１Ａおよび排水ライン４２Ａとの連通を断ち、給水ライン４１Ａを介して給水口４１から容器４０Ａ内に浄化対象となる汚染水を導入する。汚染水に含まれる放射性物質により汚染された粒子および放射性イオンは、ろ過剤プリコート層３３にトラップされ、放射能の少ない水が中空膜管３０内に侵入する。中空膜管３０のスキン層３１および基質層３２を通過した水は、中空膜管３０の中央部を貫通する空洞３３を通過し、上部支持板４４の上側の空間すなわち集水室４５に入る。集水室４５内の水は、取水口４２および排水ライン４２Ａを介して容器４０Ａから排出される。
【００６２】
ろ過材プリコート層３３が汚染されたら、逆洗を行う。逆洗を行う場合には、給水口４１および取水口４２を弁で閉じ、逆洗水注水口４８より注水する。すると逆洗水は、中空膜管３０の空洞３３、スキン層３１および基質層３２を順次通過し、ろ過剤プリコート層３３とともに中空膜管３０付着した腐食生成物を剥離させながら、中空膜管３０の外側に流出する。ろ過剤および腐食生成物により混濁した逆洗水は、中空膜管３０同士の隙間および下部支持板４３の穴を順次経て、下部支持板４３の下側の空間すなわちドレン水室４６に集められ、ドレン水口４７より系外に排出できる。なお、この場合、逆洗水に有機酸をまぜれば、中空膜管３０の除染および洗浄も可能となる。
【００６３】
なお、上記の説明ではろ過材が中空膜管３０の外表面にプリコートされている前提で説明を行ったが、ろ過剤は必ずしも中空膜管３０の外表面にプリコートされている必要はなく、高温水浄化装置４０の容器４０Ａ内に撹拌された状態で浮遊していれば十分である。なお、この場合の容器４０Ａ内での水の上昇速度は、ろ過剤のストークス径に応じた沈降速度より大きければよい。
【００６４】
なお、上述したような形式の高温フィルターは、粒子状の腐食生成物の捕捉による差圧上昇の面では低温フィルターより有利であるが、高温で使用できるイオン交換速度の速い物質がないためイオン交換の点では大幅に不利となる。従って、イオン交換性能を高めるためには、イオン交換物質の量を多くするか表面積を大きくする必要がある。微細な粒子の捕捉しかつ差圧を小さく保つトレードオフの関連を工夫する必要がある。従って、ろ過面積を大きくするとともに差圧上昇を防止する必要がある。
【００６５】
高温で使用できる無機材料では一般にイオンの蒸気からの輸送速度に比べて材料表面での捕捉速度は小さい。この点が、イオン交換樹脂の低温除去装置と無機イオン交換体の高温水浄化装置とで大きく異なっている。すなわち、イオンの捕捉反応は、流体から材料表面へのイオンの輸送速度ではなく、材料表面でのイオン取り込み反応に律速している。
【００６６】
ステンレス鋼製のろ過剤を例にとり、イオン取り込み速度について説明する。１１００Ｍwe級ＢＷＲでは原子炉圧力容器および原子炉圧力容器内の装置にステンレス鋼が使われており、これらの表面にもフェライトが形成される。通常５０００m2の表面積をもつ炉心外表面は、炉水のＮｉイオン濃度が高い場合で約１％相当容量、炉水のＮｉイオン濃度が低い場合で約４％相当容量の低温のイオン交換樹脂による炉水浄化装置に相当（１EFPY時点での値で、時間に対しては除去速度が時間ｔ−１／２に比例する）する。従って、ステンレス鋼で中空膜管およびろ過剤を作成した場合、炉水のＮｉイオン濃度が高い場合で８％容量の場合は４００００ｍ２が必要となる。１００μmの球形では１５ｍ３と算出される。１０μｍの球形では、１．５m３となる。１μｍの球形では０．１５ｍ３である。
炉水のＮｉイオン濃度が低い場合は、１００μｍの球形では４ｍ３、１０μｍの球形では０．４ｍ３、１μｍの球形ではわずか０．０４ｍ３で充分であることがわかる。
【００６７】
図６には、図５に示す実施形態の変形例を示す。図６の例では、中空膜管３０の外側にストレーナー４９Ａが設けられており、中空膜管３０の外表面とストレーナーとの間に例えば粒径１μｍのろ過材粒子５０が保持されており、ストレーナー・ろ過剤一体型中空膜管４９が構成されている。なお、ろ過材粒子５０の材料としては、ろ過材プリコート層３３をろ過材の材料と同一または類似のものが用いられる。
【００６８】
また、図６に示す例の場合も、上部中空膜管支持板４４と下部支持板４３とが高温水浄化装置４０の容器４０Ａに固定され、中空膜管３０が上部支持板４４と下部中空膜管支持板４３との間に保持される構造になっているが、これらを一体化しカートリッジタイプにすることもでき、このようにすれば一括交換が容易になる。この場合も、高温水浄化装置４０の容器４０Ａの頭部を着脱可能な構造、例えばフランジ構造にしておけば、中空膜管３０の交換も可能である。
【００６９】
図６に示す変形例に係る高温水浄化装置は、高温水が蒸気の状態であっても液体の状態であっても使用可能である。
【００７０】
［第３の実施形態］
次に、図７を参照して第３の実施形態について説明する。図６に示す高温水浄化装置は、蒸気状態の高温水を浄化する用途に適している。なお、図７に示す高温水浄化装置において、図５に示す高温水浄化装置の部材と同一または類似の機能を果たす部材については同一符号を付し、重複説明は省略する。
【００７１】
図７に示すように、高温水浄化装置４０の容器４０Ａの上部の一側には取水口４２が、他側には逆洗水注入口４８が設けられている。容器４０Ａの底部には、給水口４１が設けられている。また、容器４０Ａの下部にはドレン水口４７が設けられている。なお、給水口４１には給水ライン（例えば給水管）４１Ａを介して汚染度の高い蒸気水が供給され、取水口４２からはこの高温水浄化装置４０により浄化された水が排水ライン（例えば排水管）４２Ａを介して排出されるようになっている。
【００７２】
容器４０Ａ内の取水口４２および逆洗水注入口４８より低い位置に、水平方向に延びる上部支持板４４が設けられている。上部支持板４４には複数の穴が形成されており、各穴に中空膜管３０の上端が差し込まれている。その一方で、上部支持板４４は穴の開いていない部分で、中空の給水ストレーナー管５１の上端を支持しており、上部支持板４４は給水ストレーナー管５１の下端を閉塞している。なお、容器４０Ａの上部支持板４４の上側の空間と下側の空間は上部支持板４４により完全に仕切られており、前記上側の空間と下側の空間との間の水の移動は中空膜管３０を介してのみ可能となっている。
【００７３】
容器４０Ａ内のドレン水口４７より低くかつ給水口４１より高い位置に、水平方向に延びる下部支持板４３が設けられている。下部支持板４３には複数の孔が形成されており、各孔に給水ストレーナー管５１の下端が差し込まれている。その一方で、下部支持板４３は孔の開いていない部分で、中空膜管３０の下端を支持しており、下部支持板４３は中空膜管３０の下端を閉塞している。従って、容器４０Ａの下部支持板４３の上側の空間と下側の空間との間の水の移動は給水ストレーナー管５１を介してのみ可能となっている。
【００７４】
本例では、中空膜管３０は六方格子状に配列されており、給水ストレーナー管５１は、六方格子の中心点に配置されている。従って、中空膜管３０の本数と給水ストレーナー管５１の本数の比は、２：１である。
【００７５】
上部支持板４４と下部支持板４３との間の空間は粒状のろ過材により充填されている。
【００７６】
なお、中空膜管３０およびろ過材は、第２の実施形態で説明した中空膜管３０およびろ過材と同一または類似のものを用いることができる。
【００７７】
取水口４１から下部支持板４３の下方の空間に高温蒸気が導入されると、蒸気はそこから給水ストレーナー管５１、ろ過材、中空膜管３０を順次経て、集水室４５に入り、取水口４２から容器４０Ａ外に排出される。この過程において、高温蒸気はろ過材および中空膜管３０により浄化される。
【００７８】
次に、本実施形態に係る高温水浄化装置の具体的な仕様について説明する。容器４０Ａは円筒形状でありその内に外形寸法を２５．４mm、長さを５０８０mmの中空膜管３０（一本当たりのろ過面積：０．４０５ｍ２）が六方格子状に平行に配列されている。一方、中空膜管３０と同一寸法形状の給水ストレーナー管５１は中空膜管３０の六方格子点の中心点に配置されている。フィルター（中空膜管３０および給水ストレーナー管５１）の充填率を７５％とすると、１ｍ２あたり１５００本のフィルターを充填できる。給水ストレーナー管５１と中空膜管３０との間のろ過層（ろ過材が充填される領域）の最短間隔は２．４mmである。原子炉の内径は１１００Ｍwe級ＢＷＲで６．４ｍでありこのときの面積は３２ｍ２（体積１６３ｍ３）であることより、４８０００本以上のフィルターを充填できる。このうちの２／３の３２０００本が中空膜管３０（総ろ過面積１２９６０ｍ２）である。蒸気流量は６４００Ton／hrであることより、蒸気の比重０．０３６Ton／ｍ３を考慮すると、蒸気のろ過面での面速度は３．８mm／sである。
【００７９】
ステンレス鋼製の球形ろ過剤が単純立方結晶配列（空隙率：４８％、最小空隙間隔：ろ過剤径の０．４１倍）で付着している場合の２８５℃の蒸気中のＣo-60イオンをＤＦの算定式(1)式でＤＦ＝１０４で除去できるろ過層について考察する。ろ過剤の直径を１μｍとすると、空隙の等価円筒半径は０．３９μｍである。空隙率は４８％であることより、空隙内の速度は７．９mm/sである。従って、単位長さ（１mm）あたりを通過する時間は０．１３s程度である。ここで、水通路を円筒近似したが、実際はろ過剤は球であるため表面積は円筒流路の１．２８倍である。
【００８０】
ここで、ろ過剤表面でのＣo-60の化学反応は蒸気と高温水とで同様と推定すると、一回の流体の通過でイオンの除去されるろ過剤の厚みについて計算する。炉水のＮｉイオン濃度が高い場合は、５０００m２で６０Ton/hrの除去速度であるため、高温水の比重０．７４Ton／m３で補正し高温水の体積浄化速度を求めると８１m３／hrに相当する。０．０１６２m／hr 、すなわち４．５μｍ／sの除去速度である。ろ過層の空隙円筒長さL（mm）でのＣo-60のＤＦは(1)式であたえられる。
【００８１】
ＤＦ＝ｅ４．５×２×１．２８／０．３９×０．１３Ｌ    …（１）
給水ストレーナー管５１と中空膜管３０との間の距離は２．４mm のろ過層があれば１０４程度のＤＦが得られる。 この場合、ろ過剤の充填体積は４１m３となる。
【００８２】
次に、１μｍの球形粒子の２．４mmのろ過層の水頭長Ｌを計算する。計算にあたっては、「ウェバー水質制御の物理化学プロセス（朝倉書店）p.126」を参照した。（２）式より、約２００ｍの水頭ロスであることがわかる。
【００８３】
ｈ＝ＪＬν／ｇ（１−ε）２／ε３  ｖ（σ／ｄ）２  …（２）
ここで（２）式において、
Ｊ：実験定数       約６
Ｌ：濾過層の厚み   2.4mm
ν：動粘性係数     0.56×10−６ m２/s
ｇ：重力加速度     9.8m/s２
ε：空隙率         0.48
σ：形状係数       約６
ｖ：空筒速度       0.0038m/s
ｄ：ろ過剤の直径   1μｍ
である。
【００８４】
なお、炉水のＮｉイオン濃度が低い場合は、ろ過剤の充填体積は１０m3強で水頭ロスは約５０ｍとなる。
【００８５】
いずれの場合でも、２８５℃のＢＷＲにおいて、原子炉圧力容器内にＤＦ１０４の高温浄化装置を設置するのは難しい。しかしながら、６５０℃の超臨界水においては温度が高くなるのでろ過剤との反応速度は早くなり、２８５℃に比べて１００倍程度高まる。従って、ろ過剤は２４μｍ程度（ろ過剤の充填体積は０．４１ｍ３）で充分であり、水頭ロスは約２ｍであり充分目的を達成できる。この場合、ろ過剤の充填量を１０倍（ろ過剤の充填体積は４．１ｍ３で１μｍの粒子径）にすることもできる。この場合、差圧は（２）式に従うので１／１０にすることができる。このように、差圧上昇と捕捉容量との両立が達成される。
【００８６】
以上説明した第２乃至第３の実施形態に係る高温水浄化装置を、図１の原子炉圧力容器内９、または原子炉圧力容器内９からタービン入口の蒸気バルブ１の間に適宜設置することにより、放射性物質を効果的に分離・除去することができ、蒸気系への放射能の移行を低減することができる。
【００８７】
高温水浄化装置は、新設のプラントにおいては設計上の余裕度が高いため、新規な装置として組み込むことができる。また、既設のプラントにおいては、新設プラントのように全く新規の浄化装置を組み込むことはスペース上の理由等から困難または不可能な場合が多いが、このような場合には、例えば第２の実施形態のように既存のドライヤーの波板を改良してドライヤーに高温水浄化装置としての機能を付与することにより対応することも可能である。
【００８８】
第２または第３の実施形態に係る高温水浄化装置は、圧力容器内のみならず、例えば原子炉圧力容器９からタービン入口の蒸気バルブ１の間に設置することもできる。なお、通常、蒸気・タービン系に異常が発生した場合に備えて原子炉系と蒸気・タービン系とを連結する蒸気配管系１１には蒸気隔離弁（図示せず）が設けられているため、高温水浄化装置は、蒸気隔離弁より下流側であってかつタービン入口の蒸気バルブ１の上流側に設置するのが安全性が高い。なお、原子炉圧力容器内９からタービン入口の蒸気バルブ１の間に高温水浄化装置を設置した場合、高温浄化装置の異常時に高温水浄化装置をバイパスする配管を設けても良い。
【００８９】
本実施形態に係る高温水浄化装置は、現行のイオン交換樹脂を用いた炉水浄化装置に比べて、熱ロスが無いという点で有利である。また、高温条件下では、下表１に示すごとく水の粘性抵抗が著しく低下するため、同一形状の低温フィルターに比べて大幅に初期差圧を下げることができる。
【００９０】
【表１】
0004382299.tif 000002
また、特に、本実施形態に係る高温水浄化装置では、高温水存在下で安定なイオン交換物質を用いているため、寿命も長い。なお、現行のイオン交換樹脂を用いた炉水浄化装置の容量は、低温型で給水流量の２％である。例えば８％容量相当の高温浄化装置を付加することにより炉水放射能濃度を現行の１／５程度にでき蒸気系への移行も炉水放射能濃度に比例して低減することができる。
【００９１】
なお、高温水浄化装置の差圧上昇を抑制するためには、給水からの鉄持ち込み量を０．１ppb以下とすることが好ましい。高温水浄化装置の差圧上昇は、粒子状の腐食生成物が捕捉されることに起因している。この粒子状の腐食生成物は鉄が主成分であり、その大部分は復水浄化系をリークしたものである。復水浄化系に中空糸フィルターを設置することにより給水からの鉄持ち込み量を０．１ppb以下、平均で０．０２ ppb程度にできるということが過去の運転実績から確認されている。
【００９２】
この量は、中空糸フィルターを設置していないプラントの給水からの鉄持ち込み量の１／１０以下である。なお、中空糸フィルターを設置していないプラントにおいては高温浄化装置を試験的に運用してみたところ、高温浄化装置のフィルタは数年の寿命であった。このことを考慮すると、現行仕様の高温フィルターを使用した場合でも、高温浄化装置への給水からの鉄持ち込み量を所定値以下に抑制することによりプラントの寿命に近い年数にわたり運転することが可能となることが推察される。
【００９３】
なお、これまでの説明では、放射性物質を捕捉することによって蒸気系への放射性物質の移行を低減する手法について説明してきたが、放射性物質を含む蒸気の発生自体を低減することも効果的である。
【００９４】
そのためには、ヘッドスプレー６に使用する水を、現行の炉水浄化装置５の出口水から、図１に示す復水浄化装置７または復水貯蔵タンク８の出口水に変更することが有効である。このようにすれば、復水浄化装置７または復水貯蔵タンク８の出口水は、炉水浄化装置５の出口水より放射能含有量が少ないため、ヘッドスプレー時に発生する蒸気に含まれる放射能を低減することができる。最近のヘッドスプレーを用いて原子炉停止時に早く温度を下げる運転がなされている現状を鑑みればこのことによる効果は大きい。
【００９５】
なお、ヘッドスプレーのスプレー水が飛散して温度の高い圧力容器に直接掛からないようにスプレーの孔の向きを炉内構造物の方向に向けるかまたはスプレーの孔と圧力容器内面との間に遮蔽となるカバーを配設し、このカバーによりスプレーする領域を制限したり、ノズルまたは超音波などにより噴霧する液滴径を小さくし、停止後の熱合発生に伴う蒸気発生量に応じてスプレー水量を制御することも放射性物質を含む蒸気量を低減する上で好適である。この場合、例えば、ヘッドスプレー６を複数のノズル孔（直径１mm以下）を有するシャワーヘッド状に形成し、シャワーヘッドにおけるノズル孔の配置面積をほぼ４００cm２とし、ドライヤー全体にちょうどスプレー水がかかるように（ドライヤーに衝突しない水がないように）水をスプレーすることが好適である。
【００９６】
現行システムでは圧力容器の温度に近い炉水浄化系出口水を使用しており、ヘッドスプレーのスプレー水が飛散し圧力容器に直接掛かった場合でも熱応力が比較的軽減される設計になっている。しかしながら、炉水の温度降下に比べて圧力容器の温度降下は遅く温度差が次第に大きくなり、ヘッドスプレーの広がりを押さえ液滴を小さくし停止後の蒸気発生量に会わせて低温の蒸気になり圧力容器に接触し温度を均等に下げる方法に特徴がある。本方法の採用により、より安全に効率よく低下させることができる。
【００９７】
【発明の効果】
本発明によれば、蒸気系への放射性物質の移行を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  原子炉圧力容器まわりのシステム概略図。
【図２】  荷電粒子の電磁場での運動方向の概念図。
【図３】  第１の実施形態に係るドライヤーの構成を概略的に示す図。
【図４】  高温水浄化装置に用いる中空膜管の構成を概略的に示す概念図。
【図５】  第２の実施形態に係る高温水浄化装置の概略図。
【図６】  高温水浄化装置の他の実施例を示す図。
【図７】  第３の実施形態に係る高温水浄化装置の概略図。
【符号の説明】
１…蒸気バルブ、２…給水配管、３…ドライヤー、４…気水分離器、５…炉水浄化装置、６…ヘッドスプレー、７…復水浄化装置、８…復水貯蔵タンク、９…原子炉圧力容器、１０…炉心部、２０…蒸気進入穴、２２…  波板、２３…固定棒、２４…ドレンパン、２５…ドレン管、３０…中空膜管、３１…スキン層、３２…基質層、３３…濾過材プリコート層、４０…高温水浄化装置、４１…給水口、４２…取水口、４３…下部支持板、４４…上部支持板、４５…集水室、４６…ドレン水室、４７…ドレン水口、４８…ドレン水注入口、５０…ろ過剤保持層、５１…給水ストレーナー管、５２…取水中空膜管
【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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