JPH06148386A - 原子力プラントの腐食生成物抑制方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】クラッドの燃料被覆管表面への付着を抑制して
放射性腐食生成物の発生を低減する。 【構成】燃料被覆管の腐食生成物のゼータ電位を変化さ
せるか、またはあらかじめゼータ電位を調整した燃料被
覆管を使用するか、あるいは原子力プラントの運転中に
水質調整によって燃料被覆管と腐食生成物のゼータ電位
を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料被覆管の表面に生成
する放射性腐食生成物の発生量を低減させる原子力プラ
ントの腐食生成物の抑制方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、
給水系から持ち込まれた粒子状の金属酸化物（一般にク
ラッドと呼ばれる）やイオン性不純物が沸騰濃縮現象に
よって、燃料被覆管の表面に固定される。また、加圧水
型原子炉（ＰＷＲ）においては燃料被覆管の表面で沸騰
現象が存在しないため、クラッドの付着量はＢＷＲと比
較して少ないものの付着現象が観察される。

【０００３】燃料被覆管の表面で、それらは中性子の照
射を受け放射化されて放射性腐食生成物となる。生成さ
れた放射能は全量が燃料被覆管の表面にそのまま固定さ
れるのではなく、一部は粒子状で剥離したり、またはイ
オン状で溶出したりして、一次冷却材中の放射能濃度を
高めることとなる。

【０００４】また、放射能の発生プロセスとしては、炉
内構造材から剥離／溶出して同様に燃料被覆管の表面に
固定され放射化する過程や、炉心構造材がダイレクトに
放射化され、放射能として溶出する過程なども考えられ
ている。

【０００５】各種のプロセスを経て発生した放射能は、
一次冷却材を媒体としてプラントの一次系全領域に達
し、各系統を汚染させることとなる。さらに、一次冷却
材の接液部は、ほぼ金属材料であり汚染ということは局
所的にみれば、この金属材料に放射能が取り込まれる現
象にほかならない。

【０００６】粒子状の放射能の取り込みは、金属材料表
面における物理的な吸着や重力沈降による付着が主なプ
ロセスであり、一方、イオン状の放射能は、金属材料が
腐食する際、表面に生成される腐食皮膜中に酸化物とし
て共析したり、同位体交換反応によって取り込まれたり
する。

【０００７】例えば、⁶⁰Ｃｏ²⁺は鉄鋼材料の腐食にとも
ない以下の２式で皮膜中に取り込まれると考えられてい
る。 ⁶⁰Ｃｏ²⁺＋２Ｆｅ＋４Ｈ₂ Ｏ＋６ｅ^- ＝ＣｏＦｅ₂ Ｏ₄ ＋４Ｈ₂ ⁶⁰Ｃｏ²⁺＋ＣｏＦｅ₂ Ｏ₄ ＝Ｃｏ²⁺＋⁶⁰ＣｏＦｅ±₂ Ｏ₄

【０００８】このようにして一次冷却材と接した金属材
料は放射能を取り込み、その量は腐食皮膜の成長によっ
て経年的に増加する量と、放射性懐変によって取り込ま
れた放射能量が減少する速度とバランスするまで増加の
一途をたどることになる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】配管表面や機器表面に
放射能が蓄積されると、空間線量率が高まり、付近で作
業を行う作業員の放射線被曝線量が増加し、ひいてはプ
ラントの定期検査期間における総被曝線量（トータルマ
ンレム）を押し上げる。

【００１０】その結果、作業員数の増加による定期検査
の費用の増加や定期検査の期間延長を招き、一方では社
会的な問題となり、新規プラントの建設にも支障をきた
す。このような背景から、放射能の蓄積を抑制する方法
や、一旦、蓄積した放射能を除去する方法（除染）が精
力的に研究されている。

【００１１】これら放射能の移行挙動を総括的に検討す
ることにより、放射性腐食生成物の一次系配管表面や機
器表面への付着にともなう空間線量率の上昇を抑制する
ためには、 (1)放射性腐食生成物を発生させない、 (2)
放射能を発生部位にとどめ炉水中へ移行させない、 (3)
炉水中に移行した放射能を除去し濃度を高めない、 (4)
放射能を配管表面や機器に付着させない、 (5)付着した
放射能を除去する、などの対策が考えられることが分か
る。

【００１２】本発明は、このうち、 (1)放射性腐食生成
物を発生させない技術に関するものであり、クラッドの
燃料被覆管表面への付着を抑制して放射性腐食生成物の
発生を低減し空間線量率の上昇抑制を図り、作業員の放
射線被曝低減に寄与する原子力プラントの腐食生成物抑
制方法を提供することにある。

【００１３】本発明はまた、上記課題を解決するために
なされたもので、原子力プラントにおいて、燃料被覆管
の表面に付着した腐食生成物が中性子の照射により放射
性腐食生成物に変換される過程で、腐食生成物が燃料被
覆管に付着されることを阻止し、その結果、燃料被覆管
の表面に生成する放射性腐食生成物の発生量を低減させ
る方法を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は燃料被覆管の表
面に静電的に腐食生成物が付着するのを抑制する原子力
プラントの腐食生成物抑制方法において、前記燃料被覆
管の腐食生成物のゼータ電位を変化させるか、またはあ
らかじめゼータ電位を調整した燃料被覆管を使用する
か、あるいは原子力プラントの運転中に水質調整によっ
て前記燃料被覆管と腐食生成物のゼータ電位を変化させ
ることを特徴とする。

【００１５】

【作用】クラッドが燃料被覆管の表面で斥力を受けるよ
うにクラッドのゼータ電位を調整する。つまり、被覆管
の同電位をクラッドの電位方向に合わせ、静電的に両者
を反発させる。

【００１６】すなわち、放射性腐食生成物の主な発生部
位は前述したように、燃料被覆管表面と炉心構造物であ
る。このうち、燃料被覆管表面では鉄酸化物を主成分と
するクラッドが付着し、放射化されて放射性腐食生成物
となる。そこで、被覆管へのクラッドの付着を阻止する
ことが最も効果的な放射性腐食生成物の発生抑制法とな
る。

【００１７】沸騰伝熱面へのクラッドの付着および堆積
メカニズムは、概略的には次のように考えられている。
つまり、初期的に付着物が無いクリーンな表面では、沸
騰にともないクラッドを含んだ高温水が伝熱表面に運ば
れ、表面近傍で濃縮され静電的相互作用等により付着す
る。

【００１８】また、一旦クラッド層が生成した後はその
クラッド層のフィルタ効果によりクラッドが堆積される
というものである。これより、クラッドの伝熱面への接
近を、例えば静電的に防止できれば、クラッドの付着を
抑制できることが推定される。

【００１９】原子力プラントで観察されるクラッドはそ
の結晶形態から分類すると、ヘマタイト（αＦｅ
₂ Ｏ₃ ）、マグネタイト（Ｆｅ₃ Ｏ₄ ）、ゲータイト
（γＦｅＯＯＨ）、レピドクロサイト（αＦｅＯＯＨ）
であり、また結晶形態を示さない非晶質成分も存在する
と報告されている。

【００２０】これらのクラッドは水中において固有の界
面動電位（ゼータ電位）を有している。ゼータ電位とは
固体と液体の界面における電位差のうち界面動電現象に
有効に作用する部分であり、固相表面の電気的な固着相
と液体との電位差を表している。

【００２１】図１は試薬の鉄酸化物のゼータ電位の測定
例を示しており、図ではｐＨをパラメータに結果をまと
めている。図１から明らかなようにゼータ電位はｐＨに
よって変化し、また結晶形態の違いによっても異なる。

【００２２】一般に鉄酸化物のゼータ電位はｐＨが酸性
側でプラスを示し、アルカリ側でマイナスとなる。ま
た、中性領域で電位が反転する（電位がゼロとなる：Ｐ
ＺＣ）ｐＨ条件がある。

【００２３】ところで、ＢＷＲの一次系では超純水が使
われており、ｐＨとしては中性領域で運転されている。
そこで、例えばｐＨを７と規定した場合で見ると、結晶
の形態の違いでゼータ電位が全く異なっていることがわ
かる。

【００２４】一方、原子力プラントの燃料被覆管は現
在、ジルカロイ２やジルカロイ４といったジルコニウム
合金が用いられている。これらのジルコニウム合金表面
は酸化によって酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂ ）層に覆わ
れている。

【００２５】この酸化物層は、被覆管の使用前に黒化処
理と称して、被覆管の製品検査のために実施されるオー
トクレーブ処理によって付与される。また、最近の燃料
被覆管では黒化処理を行わず、地金表面状態で供する場
合もあるが、高温高圧水との接触によって直ちに、酸化
ジルコニウム層が形成される。

【００２６】図２はこの酸化ジルコニウムのゼータ電位
を測定した例である。燃料被覆管表面にクラッドが付着
する現象の初期過程では、両者の静電的な相互作用で付
着が開始すると述べたが、例えばゼータ電位によって付
着が大きく作用される。

【００２７】つまり、燃料被覆管の表面における酸化ジ
ルコニウムのゼータ電位とクラッドのゼータ電位が全く
同じｐＨ依存性を持つなら、両者には斥力が働いて反発
し合う。一方、全く逆のｐＨ依存性ならばどの条件でも
引き合う。そこで、両者のゼータ電位を互いに斥力が働
く状態に保持できれば、燃料被覆管の表面へのクラッド
付着を抑制できる。

【００２８】クラッドのゼータ電位は前述したように結
晶形態で異なることから、例えば、クラッドの結晶形態
を抑制することでそのゼータ電位を変化させることがで
きる。また、図３は結晶形態が同じヘマタイトでも、そ
の結晶粒径の大小によってゼータ電位が異なることを示
している。つまり、このような手段により、クラッドの
ゼータ電位を任意にコントロールすることは可能と考え
られる。

【００２９】さらに、燃料被覆管表面における酸化ジル
コニウムのゼータ電位は、例えば表面の凹凸度で変化す
ることからクラッドと同様に制御可能である。そこで、
両者のゼータ電位を適切に制御することによって燃料被
覆管の表面へのクラッドの付着を抑制することができ
る。

【００３０】

【実施例】図４および図５を参照しながら本発明に係る
原子力プラントの腐食生成物抑制方法の実施例を説明す
る。図４は本発明を従来のＢＷＲに適用した第１の実施
例を模式的に示している。この実施例ではクラッドのゼ
ータ電位を調整し、燃料被覆管表面への付着防止を図っ
ている。

【００３１】図４中符号１は原子炉を示しており、炉心
３で発生した蒸気が、タービン５を回す。タービン５で
仕事をした蒸気は復水器７で水に戻る。その水は復水ポ
ンプ９によって復水浄化系11に送られ、不純物を除去し
た後、給水加熱器13で予熱され原子炉１に戻る。また、
炉水は再循環ポンプ15とジェットポンプ17によって強制
循環されている。さらに、再循環系を流れる炉水の一部
は炉水浄化系19によって浄化される。

【００３２】このような、ＢＷＲプラントにおいて、再
循環ポンプ15の出口側にゼータ電位調整装置21が設置さ
れている。この装置によって、クラッドのゼータ電位を
調整し、燃料被覆管の表面とクラッドが互いに斥力が働
くようにする。

【００３３】ゼータ電位を調整する方法としては例え
ば、クラッドの形態変化や粒径変化を利用することがで
きる。クラッドの形態は温度や溶存酸素濃度によって変
化させることができる。また、粒径は超音波振動バスに
よって微細化が可能である一方、バイブレーションや攪
拌といった物理的作用、もしくは熟成時間や溶存酸素濃
度の増加によって成長させることができる。

【００３４】もちろん、ゼータ電位調整装置21は再循環
ポンプ15の入口側や、給水加熱器の最終段以降に取り付
けることも可能である。また、再循環系を持たないプラ
ントではクラッドが循環する部位において単独に炉内設
置することも考えられる。

【００３５】図５は本発明を従来のＢＷＲに適用した第
２の実施例を示している。この実施例ではクラッドのゼ
ータ電位を常時監視し、燃料被覆管表面のゼータ電位を
調整している。なお、図５において図４と同一部分には
同一符号を付して重複する部分の説明は省略する。

【００３６】通常のサンプリングラインを介して採取し
たクラッドのゼータ電位を測定し、互いに斥力が働くよ
うに燃料被覆管表面のゼータ電位をゼータ電位調整装置
21によって調整している。燃料表面のゼータ電位を調整
するには、例えば燃料をバンドル単位で絶縁し、電気的
な分極作用によって可能である。

【００３７】また、プラントの運転中におけるクラッド
の濃度やゼータ電位が予測される場合には、あらかじめ
燃料被覆管表面のゼータ電位を表面加工や表面処理の手
法などによって調整し、使用中常時互いに斥力が働くよ
うにして供することも可能である。

【００３８】さらに、運転中のプラントであっても、例
えばｐＨ管理等の手法によりクラッドと燃料被覆管の表
面とに斥力が働くように水質をコントロールする手法も
可能である。

【００３９】静電的にクラッドや燃料被覆管表面のゼー
タ電位を制御する技術は、逆の原理を利用すれば、クラ
ッドの捕集を目的とした水処理機器の性能向上に応用が
可能である。つまり、例えば混床式の復水脱塩器でクラ
ッドを捕集しようとする場合には、クラッドとイオン交
換樹脂との間に、互いに引力が働くように各々のゼータ
電位を調整すればよいことになる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、クラッドと燃料被覆管
の表面とに斥力が働くようにしているため、クラッドの
燃料被覆管表面への付着を抑制することができる。その
結果、放射性腐食生成物の発生量を著しく低減できる。
燃料被覆管表面における放射性腐食生成物の発生量を低
減することにより、炉水中へ移行する放射能量も少な
く、配管表面や、機器表面に付着する放射能量も抑制で
きるので、最終的には放射線被曝低減が達成される。

【００４１】また、燃料被覆管の表面に存在する放射性
腐食生成物の量自体が少ないことから、燃料集合体の交
換や輸送時において放射能が飛散することも少なく燃料
集合体の取扱いが格段に容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】試薬の鉄酸化物のゼータ電位を測定した例を示
す特性図。

【図２】酸化ジルコニウムのゼータ電位を測定した例を
示す特性図。

【図３】粒径の異なるヘマタイトのゼータ電位の測定例
を示す特性図。

【図４】本発明を従来のＢＷＲに適用したシステムの第
１の実施例を示す系統図。

【図５】本発明を従来のＢＷＲに適用したシステムの第
２の実施例を示す系統図。

【符号の説明】

１…原子炉、３…炉心、５…タービン、７…復水器、９
…復水ポンプ、11…復水浄化系、13…給水加熱器、15…
再循環ポンプ、17…ジェットポンプ、19…炉水浄化系、
21…ゼータ電位調整装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料被覆管の表面に静電的に腐食生成物
   が付着するのを抑制する原子力プラントの腐食生成物抑
   制方法において、前記燃料被覆管の腐食生成物のゼータ
   電位を変化させるか、またはあらかじめゼータ電位を調
   整した燃料被覆管を使用するか、あるいは原子力プラン
   トの運転中に水質調整によって前記燃料被覆管と腐食生
   成物のゼータ電位を変化させることを特徴とする原子力
   プラントの腐食生成物抑制方法。