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⽇本原⼦⼒学会 水化学部会
第40回定例研究会
PWR２次系におけるスケールマネージメントプログラムについて

2021.6.30
三菱重工業株式会社 原⼦⼒セグメント プラント設計部 系統設計課

前田 哲宏© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

ZCS-GE-210059

目次

1.PWRプラントの系統構成
2.スケール付着懸念事項
3.対策と管理
4.海外で検討中の技術
5.まとめ© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

1目次

1.PWRプラントの系統構成• PWRプラントの系統構成と特徴• PWRプラントの２次系の系統構成

2. スケール付着懸念事項
3. 対策と管理
4. 海外で検討中の技術
5. まとめ© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

2

1. PWRプラントの系統構成（1） PWRプラントの系統構成と特徴
原子炉格納容器
原⼦炉格納容器

加圧器
逃がしタンク

高圧注入ポンプ(低圧注入系)

制御棒

蒸気発生器

加 圧器

蓄 圧注 入タ ンク

冷却器(高圧注入系)

高圧給水
加熱器
燃料(余熱除去系)
再循環サンプ

1次系
補給水タンク
ほう酸
ポンプ
補給水
ポンプ

低圧タービン
高圧
タービン

発電機
循環水ポンプ
取水口

復水器

海水
復水ポンプ

余熱除去冷却器
ポンプ

ほう酸
タンク

主給水制御弁

湿分分離
加熱器

タービ ンバ イパ ス弁(格納容器スプレイ系)
格納容器スプレイポンプ

主蒸気隔離弁

格納容器スプレイ

主蒸気安全弁

主蒸気逃が し弁

燃料取替
用水タンク

原⼦炉

海水

脱気器
放水口

1次冷却材
ポンプ

復水ブースタ復水グランドポンプ
脱塩装置コンデンサ

再生熱交換器

主給水ポンプ

低圧給水
加熱器

充てんポンプ
薬品タンク

水素脱塩塔体積制御タンク

フィルタ
F復水タンク
補助給水ポンプ(化学体積制御系)
2次系
補給水タンク• 原⼦炉内の燃料核分裂で発⽣した熱は、1次冷却材を介して蒸気発⽣器に運ばれる• 蒸気発⽣器で発⽣した蒸気によりタービンを回転させ、発電する• １次冷却材と２次系冷却材は蒸気発⽣器（SG）伝熱管により隔離されている© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

31. はじめに（2） PWRプラントの２次系の系統構成• タービンにて仕事をした蒸気は復⽔器で凝集• 給⽔加熱器にて加熱し、再度、SGに給⽔

蒸気発生器

高圧タービン

高圧給水加熱器

復水器

脱気器

主給水ポンプ© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

低圧タービン

低圧給水加熱器

4目次

1.PWRプラントの系統構成
2. スケールの⽣成と付着懸念事項•２次系内におけるスケール⽣成•

SGの構造とスケール付着に関する懸念事項•SG以外のスケール付着による懸念事項

3. 対策と管理
4. 海外で検討中の技術
5. まとめ© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

5

2. スケールの生成と付着懸念事項（1）２次系内におけるスケール生成• ２次系を構成する配管・機器からの腐食（FAC、全面腐食）が要因である。
• スケール⽣成に寄与する腐食は、主にFACと全面腐食がある。
• 腐食により溶出した⾦属イオン（主にFe）が、配管・機器表面やSG器内で、鉄酸化物（スケール）として析出/付着する。
＜FAC, Flow Accelerated Corrosion / Flow Assisted Corrosion＞• ⾦属材料表面の保護性酸化⽪膜（マグネタイト）が、流れの乱れにより、溶解反応が加速され減肉する事象。
• 環境（温度、ｐH、酸素）、材料（Cr含有率）、流れ（流速、形状）などの影響を受ける。

FAC環境材料流れ© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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2. スケールの生成と付着懸念事項（2）SGの構造とスケール付着に関する懸念事項

BEC閉塞
管支持板

スケール（鉄酸化物）

伝熱管

BEC型管穴

1次冷却水
2次冷却水

1次冷却水

クレビス
伝熱管
Ｄ型（ドリル穴）

伝熱管

丸穴

丸穴

器内水の流動に影響し、閉塞が進むと運転の安定性に影響

BEC型（Broached Egg Crate）

直管部付着
伝熱管

スケール（鉄酸化物）

新
伝熱性能を悪化させ、プラントの出⼒に影響
濃縮
伝熱管

クレビス

BEC閉塞状況観察写真© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

スラッジ（鉄酸化物）
+不純物

管板

不純物の濃縮箇所となり、腐⾷（機器健全性悪化）要因
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2. スケールの生成と付着懸念事項（3）SG以外のスケール付着による懸念事項（1/3）① 主給⽔ポンプ
スケール付着による駆動⼒増加② 高圧給⽔加熱器
出入口差圧の上昇②高圧給水加熱器

主給水ポンプ①© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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2. スケールの生成と付着懸念事項（3）SG以外のスケール付着による懸念事項（2/3）

主給⽔ポンプ
ポンプ類のインペラーにスケールが付着し，動⼒増加・性能低下を引き起こす懸念がある© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

給⽔加熱器
伝熱管内にスケールが付着し，出入口の差圧上昇を引き起こす懸念がある

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2. スケールの生成と付着懸念事項（3）SG以外のスケール付着による懸念事項（3/3）

14Cy.
◇14サイクル（AVT処理）
15Cy.
●15サイクル（高pH処理）

Steam Flow(t/h)

50

駆動蒸気量増加40
Shutdown

30

15Cy.pH
9.3
9.69.8 10

9.8Startup

9.3 9.8200

試験で観測されたポンプ表面の付着スケール50100
150
days from plant start-up(days)

200

実機給⽔ポンプでの駆動蒸気量経時変化
駆動蒸気は全蒸気の約1%あり、その増加はプ
ラント出⼒に影響
出典︓E. Kadoi, et. al., “The Experience of High AVT in Tsuruga unit-2- The First Application in Japanese PWR - ”, 21-25, proceeding ofNPP in Asia, (2005)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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目次

1.PWRプラントの系統構成
2.スケールの⽣成と付着懸念事項
3.対策と管理• スケールマネージメントの考え方• ⽔処理と材料の改善• 高pH処理による給⽔鉄濃度低減• 化学洗浄4. 海外で検討中の技術
5. まとめ© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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3. 対策と管理（1）スケールマネージメントの考え方
1. スケールの⽣成源を減らす
⽔処理改善、材料改善により、スケールの⽣成量を減少させる。
• 高pH処理適用による給⽔鉄濃度の低減• SUS材適用による腐食抑制

2. 持ち込まれた付着スケールを改質・除去する
化学洗浄（ASCA）により、スケールを改質・除去させる（空隙の増加）© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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3. 対策と管理（2）水処理と材料の改善
1970
給水処理

1975

1980

リン酸塩処理

1985

1990

1995

AVT処理

2000

給⽔処理は高pHへ

ETA処理

高pH処理

ヒドラジン

低ﾋﾄﾞﾗｼﾞﾝ

高ﾋﾄﾞﾗｼﾞﾝ

低ﾋﾄﾞﾗｼﾞﾝ

部分通水
コンデミ
SG

材
料

復水器
給水加熱器
配管無し

部分通水

全量通水
MA600

TT600

アルミニウムブラス

復⽔器はTiへチタン

キュプロニッケル、アルミニウムブラス
炭素鋼

SGはTT690へ

TT690

SUSSUS

給⽔加熱器、
配管はSUSへ給⽔処理の高pH化、配管のSUS化により、スケールの⽣成源である鉄の供給を抑制© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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3. 対策と管理（2）水処理と材料の改善
代表的なpH調整剤
アンモニアエタノールアミン
(ETA)

NH3

NH2-(CH2)2OH

分⼦式

モルフォリン

ジメチルアミン（DMA）

NH(CH3)2-NH
O

気液分配係数注)(150 ℃)

9.6

0.26

0.78

13.2

採用国

ドイツ
日本

アメリカ
日本

フランス
アメリカ

アメリカ

国内では、pH調整剤として、アンモニア or エタノールアミン（ETA）が採用されている。
（この他に還元性維持としてヒドラジン（N2H4）が添加されている）
注) 気液分配係数が大きいと揮発しやすい（= 蒸気と液が混在する系統では、蒸気側へ移⾏しやすい）© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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3. 対策と管理（2）水処理と材料の改善• リン酸塩処理
系統構成が類似していた⽕⼒プラントの⽔処理の考え方を踏襲したもの。リン酸ナトリウムはpH緩衝作用を有するため、不純物持込みに対する有効性は高いが、リン酸ナトリウムがSG器内管支持板クレビス部等で濃縮、伝熱管減肉が認められたため、AVTに切替えられた。
• 揮発性薬品処理（AVT, All Volatile Treatment）
揮発性であるアンモニアやヒドラジンを用いた処理方法。
• ETA処理
銅系材料が使用されているプラントで主に採用。液相側に移⾏しやすいエタノールアミン（ETA）をpH調整剤に使用することで、系統全体のpHを上げることなく鉄の溶出を抑制。
• 高pH処理（高AVT処理、高ETA処理）
銅系材料を排除し、系統全体のpHを上昇させることで鉄の溶出を抑制する方法。

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3. 対策と管理（2）水処理と材料の改善

最近は高pH処理のプラントが主流となっている

1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 プラント

A
BC
DEFGH
I
JK
営業運転開始

L

リン酸処理

M

AVT処理（NH3，N2H4）

N

ホウ酸注入

O

高NH3処理

P

ETA処理

Q

微量ETA処理R

高ETA処理S

酸素注入（NH3併用）

T

コンデミの設置

U

SG-R

VW
X

出典︓A. Maeda, et. al., “Secondary Water Chemistry Control Practices and Results at the Japanese PWR Plants”,
O09-12, Proceeding of NPC 2012 (2012)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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3. 対策と管理（3）高pH処理による給水鉄濃度低減
pH（25℃）

9.0 9.1

Fe3O49.2

9.39.420

10-510-610-7Fe（HPヒータ出口）

3102Cu（復水ポンプ出口）

10-81Ni（HPヒータ出口）10-90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11pHT023456

給水電気伝導率（μS/cm・25℃）

7Total-Cu, Total Ni（ppb）

Cr2O3NiO

Total-Fe（ppb）

溶解度（mol/kg）

10-4

T=300℃
PH2=1atm

0300℃高温⽔中での酸化物の溶解度1) SG給⽔pHと系統⽔中Fe,Cu濃度の関係1)

FAC減肉速度とpHの関係2)

高pH処理により鉄溶解度を低下させ、スケール量を低減
材料を炭素鋼から低合⾦鋼・SUSにすることでFACは大幅抑制
出典1)︓原⼦炉⽔化学ハンドブック（ 日本原⼦⼒学会編、 コロナ社）
出典2)︓T. Tsuruta, et. al.,”Flow Accelerated Corrosion Study Using Rotating Disc Specimen”, Fontevraud 6 ,Volume 1, Session A, p.181-190, SFEN, 2006
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3. 対策と管理（3）高pH処理による給水鉄濃度低減

高pH化後の給⽔鉄濃度

高pH化前後の各系統鉄濃度

高pH処理により、以下の効果を確認• 給水鉄濃度の低減（高pH時< 1 ppb）
• 主給水ポンプ電流値の増加なし• 高圧ヒータ差圧の増加なし
出典︓松田ら, “⽞海原⼦⼒発電所２次系統における高pH運転導入について”,
平成20年度⽕⼒原⼦⼒発電大会研究発表要旨集, p66-67,（2008）© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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3. 対策と管理（4）化学洗浄（ASCA，Advanced Scale Conditioning Agent）• 希薄EDTAによるスケールを改質（全量除去ではない）• 「表層部の空隙化」「スケール脆弱化」「銅除去」を狙う• 「伝熱向上」「閉塞改善」「腐食リスク低減」が目的• 薬品によるSG構成⺟材腐食は⼩さい• 国内外で広く「スケール除去対策」として実績あり

定期的な適⽤によりプラント性能を回復
EDTAによる⾦属溶解Fe

ヒドラジンによる還元
Fe3+

HOOCCH2Fe2+CH2COOH
N－CH2－CH2－N－OOCCH
2CH2COO－

マグネタイト（Fe3O4)

Cu

Cu(⾦属銅) ⇒ Cu2+ + 2e-© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

Fe2+ or Cu2+
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3. 対策と管理（4）化学洗浄（ASCA，Advanced Scale Conditioning Agent）
150

2 – F/Btu)
汚れ係数 (μh-ft
FF [μh-ft -°F/Btu]

150

1u SGA FF
1u SGB FF
1u SG FF Ave.

10021005050

00-50’88

ASCA洗浄適用前後のスケール断面1)-50'88 ’90
'89

'90

'91
‘92

'92

'93
‘94 '94'95 ‘96'96'97'98 '99‘98'00‘00'01'02 ‘02'03'04'05 '06‘04'07‘06'08'09

年

SG汚れ係数(プラント性能)の推移2)•••

洗浄によってSG伝熱管スケール外表面の空隙率が増加
空隙率増加により、沸騰が促進されるため、伝熱性能は回復
回復効果は1〜2サイクルに相当
出典1︓九州電⼒（株）, “川内原⼦⼒発電所におけるSG２次側洗浄（ASCA）について”,
日本原⼦⼒学会⽔化学部会第８回定例研究会, （2009）
出典2︓笹田 直伸, ”泊発電所における蒸気発⽣器２次側洗浄の実績と効果”,
日本原⼦⼒学会⽔化学部会2008年度サマーセミナー, （2008）© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

20

‘08

3. 対策と管理（4）化学洗浄（ASCA，Advanced Scale Conditioning Agent）• ASCA Cu洗浄によるSG付着スケール中のCu排出実績（下図の⾦⾊部がCu）• 海外プラントにて100kg (as Cu)排出、Cuインベントリーの95%以上排出

出典︓Michael J. Little (Dominion Engineering, Inc.) “Advanceed Scale Conditioning Agent(ASCA)
Applications:2012 Experience Update, proceedings of NPC2012 (2012)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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3. 対策と管理（4）化学洗浄（ASCA，Advanced Scale Conditioning Agent）
国内＆海外（米国、韓国など）にて適用実績多数。

米国（8プラント14回）

日本（5プラント18回）
韓国（5プラント8回）
フランス（3プラント3回）
出典︓Michael J. Little (Dominion Engineering, Inc.) “Advanceed Scale Conditioning Agent(ASCA)
Applications:2014 Experience Update, presented at the NPC 2014, Sapporo.
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目次

1.PWRプラントの系統構成
2.スケール付着懸念事項
3.対策と管理
4.海外で検討中の技術• DMT洗浄
• FFS
• 分散剤

5.まとめ
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4. 海外で検討中の技術（1）DMT洗浄（Deposit Minimization Treatment）
ASCA洗浄と同様に化学薬品でSG器内スケールを改質させる方法。
• 希薄薬品でスケールを改質（全量除去ではない）• 「空隙化」「脆弱化」を狙う• 「伝熱向上」「閉塞改善」が目的
DMT洗浄の主な特徴• 鉄の溶解能⼒が高い• 炭素鋼腐食が極⼩• ヒドラジンなどの有害薬品を未使用＜Fe溶解反応＞
Fe3O4 ＋ 4H2C2O4 ⇒ Fe[Fe(C2O4)3] ＋ FeC2O4(↓) ＋ 4H2O
シュウ酸鉄︓⺟材を覆う⽪膜として作用（= セルフインヒビタ）
出典︓S. Weiss, et. al., ”DMT – AREVA’s Steam Generator Maintenance Cleaning Process Concept and Experiences”,
O61-175, Proceedings of NPC 2012, (2012)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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4. 海外で検討中の技術（1）DMT洗浄（Deposit Minimization Treatment）
スケール表層部の空隙層の増加

洗浄前後のスケール断面写真
出典︓S. Weiss, et. al., “Steam Generator Maintenance Measures as Part of an Integrated Management in PWRs”,
3rd Int. Conference on Nuclear Power Plant Life Management Salt Lake City, (2012)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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4. 海外で検討中の技術（1）DMT洗浄（Deposit Minimization Treatment）
米国プラント実績評価• 洗浄前後でSG2次側酸化物マッピングに改善を確認• 閉塞改善効果はプラント運転3年分に相当

洗浄前後でのＳＧ２次側の酸化物マッピング変化
洗浄前後でのBEC部写真
出典︓S. Weiss, et. al., ”DMT – AREVA’s Steam Generator Maintenance Cleaning Process Concept and Experiences”,
O61-175, Proceedings of NPC 2012, (2012)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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4. 海外で検討中の技術（2）FFS（Film Forming Substance）••••

機器表面や配管表面に疎⽔性⽪膜を形成「機器腐食低減」と「スケール内部取込み不純物の低減」を狙う
適用により給⽔鉄濃度を低減（< 1 ppb）
SG器内における不純物取込み抑制効果（運転中にSG伝熱管スケールに取込まれた不純物の停⽌時排出量（HOR）が低減）

FFA後復⽔器表面の撥⽔

FFA適用前後での給⽔鉄のフィルタ捕集外観

出典︓U.Ramminger, et. al., “The application of film-foming amines in secondary side chemistry treatment of NPPs”,
proceedings of NPC2012, (2012)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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4. 海外で検討中の技術（3）分散剤（1/3）– Poly Acrylic Acid (PAA)が粒⼦に付着し、負電荷の反発作用でSG伝熱管への付着防⽌
汚れ係数回復効果は〜30μh-ft2-°F/Btu
主蒸気回復効果は約8〜9psi

OCOIronOxide

Phase 1

SG汚れ係数

Phase 2

PAA~[-CH2-CH-]~
分散剤の注入により、SG汚れ係数は改善

給水PAA濃度分散剤ポリアクリル酸による付着防⽌の原理
出典︓K. Fruzzetti, “Experience with Dispersant Application” proceedings of NPC2012, (2012)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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4. 海外で検討中の技術（3）分散剤（2/3）

分散剤の注入により、主蒸気圧⼒の回復効果が確認されている。

主蒸気圧⼒

給水PAA濃度 [ppb]主蒸気圧⼒ [psig]

分散剤濃度

出典︓I. Duncanson, et. al., “Dispersant Injection Strategy Optimisation at South Texas
Project” proceedings of NPC2018, (2018)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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4. 海外で検討中の技術（3）分散剤（3/3）

プラント停⽌前の分散剤注入により、大量のスケール除去が確認された事例もある。

出典︓L. Verelst, et. al., “Dispersant Applications in ENGIE Electrabel Belgium” proceedings ofNPC2018, (2018)© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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目次

1.PWRプラントの系統構成
2.スケール付着懸念事項
3.対策と管理
4.海外で検討中の技術
5.まとめ© MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. All Rights Reserved.

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5. まとめ• ⽔処理の改善（⽔処理薬品の変更や高pH処理の適用）や構成材料の変更により、給⽔中の鉄濃度は低減されている。
• SG器内に持ち込まれ、蓄積したスケールに対し、定期的な化学洗浄（ASCA洗浄）を実施することで、プラント性能を維持している。
• 海外では、DMT洗浄やFFS、分散剤といった新しい技術が試⾏されており、今後の動向にも注目していく。

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