日本原子力学会 水化学部会 第43回定例研究会

PWR一次冷却水の放射線分解
勝村 庸介 （東京大学名誉教授）
志水 雄一 （三菱重工業）＊向井 悟（MHI原子力研究開発）＊：発表者
2022.06.17© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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目次
１．背景
２．目的
３．評価条件
４．結果と考察５．まとめと課題© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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１．背景(1/2)
ＰＷＲでは、運転中の水の放射線分解による酸素濃度上昇を抑制するために、水素が添加されている。
一次冷却水中の溶存水素濃度の管理値は、15～50cc/kg-H2Oであり、通常は25～35cc/kg-H2Oで運用されている。
一方、一次系材料の健全性や被ばく低減の観点から、溶存水素濃度の最適化を図る動きがあることから、どのくらい溶存水素濃度を低下させても、水の放射線分解が抑制できるか、予め評価しておくことがDH濃度を下げると放射線 分解によるH O 、O 発生増加の懸念がある。
原子炉
重要である。
2ＰＷＲ炉心では、γ線、高速中性子線以外に、10Ｂ（n,α）7Ｌｉ反応で生成するα線の照射を受けるため、α線の影響を考慮する必要がある（図１参照）。

22γ線
中性子線

炉心

Li
ボロンα線
励起

H2 OH *
H2 O

H +OH

H 2O

イオン 化

H2O ++e H 3O +＋ OH e- aq

H 2O 2 , O 2 , OH- , H O 2 , H +など

図1 炉心内の放射線分解概念図© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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33１．背景(2/2)
【実験に基づく知見】① ほう酸を含む水溶液の原子炉照射の結果、ほう酸濃度が増加するにつれて、水素発生量が増加する。14.3cc/kg-H2O水素を添加することで、水素の生成が抑制される（図2）⇒現行の溶存水素濃度管理値の設定根拠（下限値の15 cc/kg-H2O）② ＰＷＲで溶存水素濃度を約5cc/kg-H2Oまで低下させても、溶存水素濃度の上昇は見られない（図3）。
⇒現行の溶存水素濃度管理値には、余裕がありそう。

CP-3’炉，60℃

図2 ほう酸溶液中の水素発生量とほう酸濃度の関係[1]B濃度：800 ppm

図3 一次冷却系（ＲＣＳ）中の溶存水素濃度の経時変化[2][1]E.J.Hart,W.R.McDonell and S.Gordon, The Decomposition of Light and Heavy Water Boric Acid Solutions , Proc.Intern.Cohf. Peaceful Uses of Atomic
Energy, Geneva, vol.7,593(1955)[2]C.Brun et al.,Radiolysis Studies at Belleville(PWR1300) Water Chemistry with Low Hydrogen Concentration, Proc.Intern.Cohf. Chemistry in Water
Reactors:Oparating experience & new developments, 24-27/04/1994,Nice France© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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2. 目的ＰＷＲでの放射線分解反応への影響因子には、以下が挙げられる。
pH温度
溶存水素濃度ボロン濃度
放射線強度（γ線/α線/高速中性子線）
ボイド（サブクール沸騰）

実機において、これらの因子の影響を実験的に確認することが困難なため、数値シミュレーションを実施することで、ＰＷＲ水質環境での放射線分解挙動を評価することが有効。
本発表では、ＰＷＲ固有の条件である溶存水素濃度とボロン濃度の影響に着目した挙動について報告する。
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３．計算条件① 放射線分解モデルパラメータ・Ｇ値：表１参照
・反応速度定数：ＡＥＣＬ2009[3]に基づく
表1 評価に使用したＧ値[3]（ボロン濃度は1200ppm相当）② 水質条件・pH：7
・温度：25℃、300℃
・ボロン濃度：0～1200ppm as B
・溶存水素濃度：0～30cc/kg-H2O③ 照射条件・ＰＷＲ炉心のデータを参考に、概略値を設定[3]A.J.Elliot and D.M.Bartels, The Reaction Set, Rate Constants and g-Values for Simulation of the Radiolysis of Light Water over the Range 20℃ to 300℃
Based on Information Available in 2008, AECL 153-127160-450-001(2009)
10B(n,α)7Li反応によるα線のG値はMonte Carloシミュレーション結果© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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４．結果と考察【室温での照射】• γ線、高速中性子線の単独照射では、水素を添加しなくても、分子生成物濃度は定常状態に達する（図4、図5）。
⇒水の放射線分解によりＨ２が生成するにつれて、以下に示すＯＨとの反応により、Ｈ２の生成が抑制される。
H2 + OH → H + H2O• γ線と高速中性子線では、Ｇ（ＯＨ）＞Ｇ（Ｈ２）であり、Ｈ2 の生成を抑えるのに十分なＯＨが存在するため、Ｈ２，Ｈ２Ｏ２，Ｏ２濃度は定常状態になる。
γ線

高速中性子線

定常状態
定常状態

図4 γ線照射 [H2]=0cc/kg-H2O© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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図5 高速中性子線照射 [H2]=0cc/kg-H2O
77４．結果と考察【室温での照射】• α線の単独照射では、水素を添加しない条件では、濃度が上昇する（図６）。
⇒γ線、高速中性子線の場合とは、水の分解挙動が異なり、α線では水の分解が進行する。
• α線では、Ｇ（ＯＨ）＜Ｇ（Ｈ２）（表１参照）であり、ＯＨがＨ２の分解に消費されても、Ｈ２が余るため、Ｈ２が濃度が上昇し、水の分解が進行する。
α線濃度上昇図6 α線照射 [H2]=0cc/kg-H2O© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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４．結果と考察【室温での照射】•α線の単独照射では、水素添加濃度を増加していくと、水の分解が抑制されて、分子生成物濃度は定常状態に達するようになる（図7、図8）。
⇒α線による水の分解では、水素濃度が高くなると水の分解が抑制される。

• 水の分解が抑制される水素濃度の閾値（臨界水素濃度）が存在する。
• 水の分解が抑制されるのは、下記の反応が連鎖的に進行することによる。
H2 + OH →H + H2O
H + H2O2 → OH + H2OH2H2O2

図7 α線照射 [H2]=20～24cc/kg-H2O© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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図8 α線照射 [H2]=24cc/kg-H2O
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４．結果と考察【300℃での照射】• 水素を添加しない条件では、γ線、高速中性子線では、分子生成物濃度は定常状態に達するが、α線では、濃度が上昇する（図9）。
⇒室温の照射と傾向は同じ（図4～図6）• 混合照射場（ＰＷＲ）では、水素を添加しなくても、定常濃度に達する（図10）
これは、混合照射場で、定常状態に達するのは、α線の線量率の寄与（約1割）が小さいことによる。
⇒ＰＷＲ照射場において、α線（ボロン濃度）の影響は相対的に小さく、水素添加がなくても、定常状態に達する。
α線

高速中性子線

γ線

図9 300℃における各放射線場における濃度の時間変化 [H2]=0cc/kg-H2O© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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図10 300℃における混合放射線場における濃度の時間変化 [H2]= 0cc/kg-H2O
1010４．結果と考察【水素濃度の影響】
水素を約5cc/kg-H2O以上添加することで、Ｏ2定常濃度は約４桁低下する。Ｈ２Ｏ２定常濃度は約2桁低下する（図11）。
【ボロン濃度の影響】
ボロン濃度を0～1200ppm as Bに変化させても、ほう酸の影響は小さい（図11）⇒ ＰＷＲ照射環境においては、ボロン濃度よりも水素濃度の方が影響が大きく、水素濃度が高くなるにつれて、Ｏ2及びＨ２Ｏ２の生成が抑制される。

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図11 300℃における水素添加時の定常濃度 [B]= 0～1200ppm as B

1111４．結果と考察

ＰＷＲ照射場での水の分解シミュレーションの結果、以下のことが分かった。
① 溶存水素濃度 [DH]=5cc/kg-H2O（450ppb)のとき、O2濃度は、約0.06ppb(1.4E-9)程度であり、ボロン濃度1200ppm as Bでも、運転中の一次冷却設備の基準値5ｐｐｂ（1.5Ｅ-７M)を十分下回る。
② 一方、 [DH]=5cc/kg-H2Oのときの H2O2濃度は、約5ppb(1.5E-7M)であり、[DH]=25cc/kg-H2Oのときに比べて、約30% H2O2濃度が上昇する。
材料健全性への影響については、ＢＷＲでの知見[4]もあり、今後検討が必要。

[4]Y.Wada et al., Effect of Hydrogen Peroxide on Intergranuar Stress Corrosion Cracking of Stainless Steel in High Temperature Water, (Ⅲ) Crack Growth Ratein Corrosive Environment Determined by Hydrogen Peroxide, J.Nucl.Sci.Technol.,37,901-912(2000)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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1212５．まとめと課題【まとめ】① γ線と高速中性子線の単独照射では、水素添加がなくても、定常状態に達する。
② α線単独照射では、水素濃度が上昇し、水の分解が進行する。水素を添加することで、水の分解が抑制される。これは、下記の連鎖反応による。
Ｈ2 + OH →Ｈ + H2O
H + H2O2 → OH + H2O③ ＰＷＲの混合照射場においては、全エネルギーに占めるα線のエネルギー割合は小さいため、水素添加によらず、Ｈ２，Ｈ２Ｏ２，Ｏ２濃度は定常状態に達する。
④ ＰＷＲの混合照射場において、水素を添加することで、 ，Ｈ２Ｏ２，Ｏ２濃度は急激に低下する。溶存水素濃度が5cc/kg-H2Oでも、酸素濃度基準値（5ｐｐｂ）を下回るとの評価結果であった。

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５．まとめと課題【課題】① 水素添加時の水の分解抑制のキーである以下の反応の逆反応の影響評価
Ｈ2 + OH →Ｈ + H2O⇒水の分解抑制が妨げられる方向に働くため、重要な反応。
逆反応速度定数は＞103M-1s-1では大きな影響があることを示唆（下図）② サブクール沸騰時のボイド近傍でのＤＨ低下の影響評価⇒生成したボイドが消滅することで、Ｈ２が再溶解するため、影響は小さいかもしれない。
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謝辞

本発表は、主に東大とＭＨＩの共同研究により実施した研究成果に基づくものです。共同研究の中で、ラジオリシスに係る有用な知見をいただいた勝村先生（東大名誉教授）に感謝いたします。

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ご清聴ありがとうございました。

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