JP2013539024A - 原子炉の補給水中の溶存ガスの除去 - Google Patents

Abstract

本発明は、水冷式原子炉において補給水から溶存ガスを除去するシステム及び方法に関する。本発明は、溶存ガスを含む補給水を収容する貯蔵タンクと、貯蔵タンクの下流に配置されて補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去する膜システムと、水冷式原子炉で使用するために補給水を膜システムの排水口から送水する送水機構と、を含む。溶存ガスは、溶存酸素、溶存窒素、溶存アルゴン、及びそれらの混合物の少なくとも１つを含むことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水冷式原子炉に関し、具体的には、水冷式原子炉の補給水系に関する。本発明は更に、補給水中の溶存ガスを少なくとも一部分離し除去するためのシステム及び方法に関する。

加圧水型原子炉（「ＰＷＲ」）等の水冷式原子炉においては、原子炉の炉心に水が連続的に供給される。水は、一次補給水（「ＰＭＷ」：Primary Makeup Water）系等の補給水源から連続的に補給される。水は、炉心内部の中性子束を制御するために用いられるホウ素等の少なくとも１つの化学物質を含有する場合がある。

典型的には、ＰＭＷ系は補給水を収容するための一次水貯蔵タンクを含む。一次水貯蔵タンク内の補給水は通常、（例えばゴム製の袋で）覆って、貯蔵タンクに空気が入るのを防ぐ。しかしながら、覆いをしても、ある量の空気が貯蔵タンク内に入る可能性があることがわかっている。空気は、水に溶解可能である窒素、酸素、及びアルゴン等のガスを含有するので、貯蔵タンク内に入るのを防ぐことが望ましい。溶存ガスを含む補給水は最終的に炉心並びに関連の系統及び構成要素に供給される。酸素等の溶存ガスは水系における腐食源として知られているので、これは問題となり得る。当該技術分野において、ヒドラジン等の化学物質を補給水に加えてその溶存酸素レベルを制御することが知られている。しかしながら、ヒドラジンの添加にはそれに伴う不利な点がある。例えば、ヒドラジンは分解する可能性があり、その結果、補給水における溶存窒素量を増大させる恐れがある。更に、一次水貯蔵タンクにおいて窒素ブランケットを用いる場合があるが、これも補給水における溶存窒素量を増大させることがある。補給水が最終的に炉心に供給されると、補給水中の溶存窒素が炭素１４の生成を増大させる可能性があることがわかっている。窒素は炉心内の中性子を吸収すると炭素１４を形成する。炭素１４は環境汚染物質であることが知られているため、その形成を最小限に抑えるか又は防止することが望ましい。更に、アルゴンは窒素と同様の望ましくない影響を及ぼすため、溶存する酸素、窒素、及びアルゴンの少なくとも１つを補給水から除去することが好ましい。

このため、最終的に水冷式原子炉の炉心又は関連系統に供給される補給水中の溶存ガスのレベルを制御する、例えば低減するか、最小限に抑えるか、又は排除するための改良型システム及び方法を設計し開発することが要望されている。更に、必要としない場合はＰＭＷ系を待機又は非作動モードとし、補給水の供給を必要とする状況又は事象の発生に応答してＰＭＷ系を始動又は起動することができるように、オンデマンドで使用可能なシステム及び方法を提供することが望ましい。

本発明の一態様は、水冷式原子炉に用いるために補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去するためのシステムを提供する。このシステムは、放水部を有する貯蔵タンクを含む。貯蔵タンクは、溶存ガスを含む補給水を収容する。このシステムは更に、注水口及び排水口を有する膜システムを含む。膜システムは、貯蔵タンクの放水部の下流に位置して補給水を受け、補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去する。また、このシステムは、水冷式原子炉に用いるために補給水を膜システムの排水口から送水するための機構を含む。

溶存ガスは、溶存酸素、溶存窒素、溶存アルゴン、及びそれらの混合物から成る群から選択された少なくとも１つの溶存ガスを含むことができる。溶存ガスは、空気からの浸透の結果として補給水に存在することがある。

本発明の別の態様は、水冷式原子炉において補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去するための方法を提供する。この方法は、溶存ガスを含む補給水を収容する貯蔵タンクを提供すること、貯蔵タンクの排水口から膜システムの注水口に補給水を放水することと、補給水を膜システムに通すこと、膜システムにおいて補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去すること、及び、膜システムの排水口から、水冷式原子炉の構成要素及び／又は系統から成る群から選択されたエンド・ユーザーに、補給水を送水すること、を含む。

特許請求の範囲に明記される本発明は、例としてのみ示すいくつかの好適な実施形態に関する以下の詳細な説明及び添付図面から一層明らかとなろう。

本発明の一実施形態に従った一次補給水（「ＰＭＷ」）系の待機配列の概略図である。 本発明の別の実施形態に従った、水冷式原子炉の化学体積制御系（Chemical and Volume Control System）に補給水を供給するための一次補給水（「ＰＭＷ」）系の配列の概略図である。

本発明は、水冷式原子炉において補給水から溶存ガスを少なくとも一部分離し除去するためのシステム及び方法に関する。溶存ガスは、酸素、窒素、アルゴン、及びそれらの混合物等、空気に含まれる少なくとも１つのガスを含むことができる。溶存ガスは、空気からの浸透の結果として補給水中に存在することがある。補給水は、一次補給水（「ＰＭＷ」）系等の系統に含まれ、最終的には、水冷式原子炉内の構成要素又は系統のようなエンド・ユーザーに供給される。例えば、補給水はＰＭＷ系から供給し、原子炉冷却系（「ＲＣＳ」：Reactor Coolant System）を循環させることができ、これによって水冷式原子炉の炉心への給水が行われる。代替的な実施形態では、補給水は原子炉の他の系統及び構成要素を循環した後に炉心に供給することができる。補給水中の溶存ガスのレベル又は量は変動し得る。一実施形態では、補給水中の溶存ガスのパーセンテージは、補給水が空気に対して露出する度合い及びその結果としての補給水への空気の浸透度に依存し得る。例えば、露出度及び浸透度が増大すると、補給水中の溶存ガスのパーセンテージが高くなる。

ＰＭＷ系は、補給水を収容し貯蔵する貯蔵タンクを含む。補給水は脱塩水を含む。更に、補給水は任意に、他の化学物質を含む。他の化学物質の例はホウ素であるが、これに限定されるものではない。ＰＷＲにおいて、例えば、ホウ素含有水は原子炉を循環して炉心内の中性子束を制御する。一実施形態においては、脱塩水が脱塩水供給タンクから供給され、ＰＭＷ系の貯蔵タンクの注水口に給水される。更に別の実施形態では、脱塩水供給タンクから供給される脱塩水はホウ素を含む。ホウ素の量は原子炉内の様々なパラメータに応じて変動し得るものであり、本発明を限定するものではない。典型的には、ホウ素の量は商用水冷式原子力発電所において用いられる既知の範囲内である。ＰＭＷ系の貯蔵タンクのサイズ、形状、及び材料組成は様々であり、本発明を限定するものではない。貯蔵タンクは覆いを含む場合があり、その例はゴム製の袋であるが、これに限定されるものではない。貯蔵タンクはまた窒素ブランケットを含むことがある。補給水は、例えば水冷式原子炉内の他の構成要素及び系統であるエンド・ユーザーに提供する必要が生じるまで、貯蔵タンクに貯蔵され、ＰＭＷ系内に収容される。

ＰＭＷ系は、水冷式原子炉において他の系統をサポートするために用いられる補助系統である。一例として、ＰＭＷ系を化学体積制御系（「ＣＶＣＳ」）に接続し、更にこの化学体積制御系をＲＣＳに接続し、ＲＣＳに補給水を原子炉に送出させることができる。このように、ＰＭＷ系の貯蔵タンク内の補給水は貯蔵タンクからＣＶＣＳに、次いでＲＣＳに、そして最終的には水冷式原子炉の炉心に流れることができる。補給水が貯蔵タンクをＣＶＣＳ（又は水冷原子炉の他の構成要素又は系統）に接続する配管を通じて貯蔵タンクの排水口又は放水部を出るように、貯蔵タンクを様々なパイプ及び取付け器具によりＣＶＣＳに接続することができる。配管内には他の様々な構成要素があってもよい。例えば、補給水を貯蔵タンクの放水部からＰＭＷ系を介してＰＭＷ系の排水口又は放水部に、そして例えばＣＶＣＳ、ＲＣＳ、及び炉心等のエンド・ユーザーの構成要素又は系統の注水口に圧入するために、貯蔵タンクの下流にポンプを配置することができる。更に、貯蔵タンクの下流にバルブを配置して、エンド・ユーザーの構成要素又は系統への補給水の流量を制御することができる。バルブの開き具合を調節することによって補給水の流量を増減させることができる。更に、バルブを完全に閉じることによって、エンド・ユーザーの構成要素又は系統への補給水の流入を阻止することができる。

ＰＭＷ系の貯蔵タンクをＰＭＷ系の放水部（及び水冷式原子炉の別の構成要素又は系統の注水口）に接続する配管に、膜システムが配置される。膜システムは、補給水中の溶存ガスを少なくとも一部除去することができる。前述のように、補給水を収容するＰＭＷ系の貯蔵タンクに空気が入ることがあり、その結果、酸素、窒素、アルゴン、及びそれらの混合物等のガスが補給水に溶解する可能性がある。補給水は最終的に炉心を含む水冷式原子炉の様々な系統及び構成要素に供給され、溶存酸素等の溶存ガスは原子炉の構成要素に対して腐食性であるので、補給水中の溶存ガスを低減するか、最小限に抑えるか、又は排除することが望ましい。溶存酸素に加えて、貯蔵タンクにおける空気からの浸透又は窒素ブランケットの結果として補給水に窒素が溶解することがある。溶存窒素は炉心内の中性子を吸収すると反応して炭素１４を形成することがあるが、炭素１４は既知の環境汚染物質である。溶存アルゴンは溶存窒素と同様の望ましくない影響を及ぼすため、溶存酸素及び溶存窒素を除去することに加えて、溶存アルゴンを補給水から除去することも好ましい。

本発明における使用に適した膜システムは、補給水等の液体流から、溶存酸素、溶存窒素、溶存アルゴン、及びそれらの混合物等の溶存ガスを少なくとも一部分離及び除去することができる多種多様な膜を含み得る。膜システムは、補給水から様々なレベル又は量の溶存ガスを除去することができる。例えば、一実施形態における膜システムは補給水から実質的に全ての溶存ガスを除去することができるが、この溶存ガスは溶存酸素、溶存窒素、溶存アルゴン、及びそれらの混合物を含む。別の実施形態における膜システムは補給水から実質的に全ての溶存酸素を除去することができる。除去する量又はパーセンテージは、様々な要因に依存し得る。要因の一例は膜システムの膜の種類及び枚数であるが、これに限定されるものではない。例えば膜システムのサイズ、形状、及び材料組成の具体的な設計は本発明を限定しない。本発明における使用に適した膜は当該技術分野において既知のものから選択することができる。一実施形態では、液体脱ガス膜を用いる。別の実施形態では、Liqui-Cel（登録商標）膜コンタクタとして市販されているガス除去膜を利用する。更に、膜の枚数は本発明にとって限定的なものではない。代替的な実施形態では、膜システムは１枚又は複数枚の膜を含むことができる。膜システムは注水口及び排水口を含む。ＰＭＷ系の貯蔵タンクからの補給水は膜システムに入り、これに含まれる膜（複数の膜）を通過し、膜システムの排水口から出る。膜システムの排水口から放水される補給水は、膜システムの注水口に入る補給水よりも溶存ガスの含有量が少ない。更に、膜システムの排水口から放水された補給水に溶存ガスが残っていたとしても、商用水冷式原子炉に指定された範囲等の所望の溶存ガス仕様を満たす。

一態様において、本発明のシステム及び方法は、補給水流がＰＭＷ系の貯蔵タンクから放水された後に補給水から溶存ガスを除去する。このように、本発明は補給水流を（膜システムによって）処理し、補給水流中の溶存ガスのレベルを所望の又は許容可能な範囲内に維持する。これは、貯蔵タンク内に収容された補給水を処理して貯蔵タンク内の溶存ガスのレベルを所望の又は許容可能な範囲内に維持することとは対照的である。

一実施形態においては、膜システムから出ると、補給水は再循環によりＰＭＷ系の貯蔵タンクに戻る。この実施形態ではＰＭＷ系は待機配列にある。これが意味するのは、ＰＭＷ系が作動状態になっておらず、補給水はＰＭＷ系からＣＶＣＳ、ＲＣＳ及び／又は炉心等である水冷式原子炉の他の構成要素及び系統に放水されていないということである。この配列が使用可能であるのは、一実施形態において、水冷式原子炉において補給水を供給する必要がある状況又は事象が発生していない場合である。別の実施形態では、この配列が使用可能であるのは、水冷式原子炉において補給水の供給が必要な事象の発生に応答してＰＭＷ系を起動する時である。例えば起動モードであるこの実施形態では、短い時間の間、例えば貯蔵タンクから膜システムに、更に再び貯蔵タンクへと、ＰＭＷ系内で補給水を再循環させた後、ＰＭＷ系を起動モードから供給又は送出モードに切り換える。

例えば供給又は送出モードである別の実施形態では、補給水が貯蔵タンクから膜システムを介して水冷式原子炉のエンド・ユーザーの構成要素又は系統内に放水されるようにＰＭＷ系を作動状態に配列する。この配列は、（上述したような）起動モードの後に又は起動モードを経ないで用いることができる。この供給／送出配列は、水冷式原子炉の様々な系統及び構成要素に補給水を提供するように動作可能である。本発明によれば、補給水をオンデマンドで供給することができる。即ち、水冷式原子炉において補給水を必要とする状況又は事象が発生した場合、必要な補給水を送出してその状況又は事象を緩和するように、ＰＭＷ系を配列して起動することができる。補給水を必要とする状況又は事象がない場合、ＰＭＷ系は待機モード等の供給停止モードとするか、又は単に非作動モードとすることができる。例えば必要性に応答することによって、必要な時に限り系統を起動し作動させるようにすると様々な動作上の利点がある。利点には、（ｉ）ＰＭＷ貯蔵タンクの連続的処理を必要としないので、ＰＭＷ系の構成要素の摩耗が少なく、構成要素の動作寿命が長くなること、及び／又は（ｉｉ）ＰＭＷ貯蔵タンクに設けた溶存ガス排出機構の性能に依存しないことが含まれるが、これらに限定されるものではない。

一実施形態においては、ＰＭＷ系を作動状態にして、ＲＣＳホウ素希釈のために補給水を供給する。ＲＣＳホウ素希釈は、最大出力を維持するために炉心の劣化をフォローするのに必要である。この実施形態では、ホウ素なしの補給水を原子炉水貯蔵タンクから放水し、膜システムを通過させてその溶存ガスを少なくとも一部除去し、ＣＶＣＳ内に放水し、最終的にＲＣＳに供給し、水冷式原子炉の炉心内に循環させる。

膜システムは、様々な構成を用いてＰＭＷ系において実施することができる。補給水が膜システムを通過して溶存ガスが少なくとも一部除去された後、ＣＶＣＳ、ＲＣＳ、及び炉心等（これらに限定されない）のエンド・ユーザーの構成要素又は系統に流入するように、膜システムは、貯蔵タンクの下流で、ＰＭＷ系の任意の排水口の上流に配置される。一実施形態では、膜システムはバイパス・ラインに配置される。バイパス・ラインは、貯蔵タンクの下流（例えば補給水ポンプの下流）で放水用配管に接続され、ＰＭＷ系の排水口及びエンド・ユーザーの構成要素又は系統の注水口の上流で再び放水用配管に接続される。

図１及び図２に、本発明の実施形態に従った水冷式原子炉のＰＭＷ系の２つの配列例を示す。図１において、ＰＭＷ系は待機配列である。ＰＭＷ系は、補給水を収容し貯蔵格納一次水貯蔵タンク１０を含む。補給水は脱塩水供給タンク（図示せず）から供給することができる。一次水貯蔵タンク１０は放水ライン１５によって一次補給水ポンプ２０に接続されている。ポンプ２０の下流で、放水ライン１５は更に制御バルブ３及びＰＭＷ系からＣＶＣＳ（図示せず）への排水口２５を含む。待機配列では、バルブ３は閉位置にあって、ＰＭＷ系の排水口２５からの補給水の放水を阻止する。更に、待機モードの間、補給水は、（ポンプ２０の下流で）放水ライン１５に接続されたバイパス・ライン３０へ圧入される。バイパス・ライン３０には膜システム３５が配置される。膜システム３５は１枚以上の膜（図示せず）を含むことができ、膜はこれを通過する補給水から溶存ガスを少なくとも一部分離及び除去するように動作可能である。膜システム３５は排気される気体を逃がすための通気ライン５０を含む。バイパス・ライン３０には更に、膜システム３５の下流に制御バルブ２が配置される。バイパス・ライン３０は制御バルブ２の下流で放水ライン１５に接続する。待機配列の間、バルブ２は閉位置にあって、補給水が放水ライン１５を通りＰＭＷ系から流れ出すことを阻止する。図１に示すように、膜システム３５の下流で制御バルブ２の上流のバイパス・ライン３０に再循環ライン４０が接続されている。待機配列の間、再循環ライン４０は膜システム３５の排水口から一次水貯蔵タンク１０の注水口へと水を戻す。再循環ライン４０には制御バルブ１が配置される。待機配列では、制御バルブ１は、水が一次水貯蔵タンク１０から膜システム３５を通って再び一次水貯蔵タンク１０へと流れることを可能とする開位置にある。

図２は図１のＰＭＷ系を示すが、補給水を水冷式原子炉の構成要素又は系統に供給又は送出する作動状態配列に構成されている点が異なる。図２は、図１の一次水貯蔵タンク１０、放水ライン１５、ポンプ２０、ＰＭＷ系排水口２５、バイパス・ライン３０、膜システム３５、再循環ライン４０、通気ライン５０、及びバルブ１、２、３を含む。図２では、制御バルブ１は閉位置にあって、補給水が一次水貯蔵タンク１０から膜システム３５を通って再循環ライン４０に流入し一次水貯蔵タンク１０へ戻る再循環を阻止する。更に、制御バルブ３は閉位置にあるので、一次水貯蔵タンク１０からＰＭＷ系排水口２５へ流れる補給水は必ずまずバイパス・ライン３０へ流入して膜システム３５を通過する。図２では、バルブ２は開位置にあるので、補給水は一次水貯蔵タンク１０から放水ライン１５、ポンプ２０を通ってバイパス・ライン３０に流入した後、膜システム３５を通ってバイパス・ライン３０に戻り、放水ライン１５に流入し、ＰＭＷ系の排水口２５を通ってＣＶＣＳの注水口へ流れることができる。

本発明のシステム及び方法は以下の利点の少なくとも１つを提供する。ＰＭＷ系は必要な時に限り使用することができ、オンデマンドで利用可能である。エンド・ユーザーの構成要素又は系統が補給水を必要とする時、ＰＭＷ系は起動して図１の配列に構成され、その後、図２の作動状態配列に切換えるか又は変更することができる。あるいは、ＰＭＷ系は、図１の配列（例えば待機）に維持することが可能であり、補給水が必要になった場合にこの配列を図２の配列に切換えることができる。本発明によれば、補給水に含まれる溶存ガスを除去するために補給水に化学物質を注入する必要がない。更に、溶存ガスが指定された範囲に維持されるように、一次水貯蔵タンクに溶存ガス排出機構を設けるか又は一次水貯蔵タンクで何らかの前処理を施すことは不要である。これは、本発明が貯蔵タンクから放水された後に補給水流を処理するインラインシステム及びオンデマンド方法を用いるからである。

例示目的のために本明細書において本発明の特定の実施形態を記載したが、添付の特許請求の範囲に明記したように本発明から逸脱することなく詳細において多数の変更が可能であることは当業者には明らかであろう。

Claims (18)

1. 水冷式原子炉に用いるための、補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去するためのシステムであって、
   放水部（１５）を有し、溶存ガスを含む補給水を収容する貯蔵タンク（１０）と、
   注水口及び排水口を有し、貯蔵タンク（１０）の放水部の下流に配置されて補給水を受け、補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去する膜システム（３５）と、
   水冷式原子炉に使用するため補給水を膜システム（３５）の排水口から送水するための送水機構と、
   を含む、システム。
2. 溶存ガスが、溶存酸素、溶存窒素、溶存アルゴン、及びそれらの混合物から成る群から選択された少なくとも１つの溶存ガスを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 溶存ガスが空気からの浸透の結果として補給水中に存在する、請求項１に記載のシステム。
4. 補給水を貯蔵タンク（１０）から膜システム（３５）に送水するために、貯蔵タンク（１０）の放水部の下流で膜システム（３５）の注水口の上流に配置されたポンプ（２０）を更に含む、請求項１に記載のシステム。
5. 膜システム（３５）から出る補給水の流れを制御するために、膜システム（３５）の排水口の下流に配置されたバルブを更に含む、請求項１に記載のシステム。
6. 補給水が実質的にホウ素を含まない、請求項１に記載のシステム。
7. 溶存ガスが溶存酸素を含む、請求項１に記載のシステム。
8. 膜システム（３５）が補給水から溶存ガスの実質的に全てを除去する、請求項１に記載のシステム。
9. 膜システム（３５）が補給水から溶存酸素の実質的に全てを除去する、請求項７に記載のシステム。
10. 膜システム（３５）が複数枚の膜を含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記複数枚の膜が液体脱ガス膜を含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記システムが、水冷式原子炉が補給水の供給を必要とする事象の発生に応答してオンデマンドで作動状態になる、請求項１に記載のシステム。
13. 前記システムが待機配列に維持され、水冷式原子炉が補給水を必要とする事象の発生に応答して作動状態配列に変更される、請求項１に記載のシステム。
14. 送水機構が、膜システム（３５）の排水口から水冷式原子炉の炉心に補給水を送水する、請求項１に記載のシステム。
15. 水冷式原子炉において補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去するための方法であって、
    溶存ガスを含む補給水を収容する貯蔵タンク（１０）を提供すること、
    貯蔵タンク（１０）の排水口から膜システム（３５）の注水口に補給水を放水すること、
    補給水を膜システム（３５）に通すこと、
    膜システム（３５）において補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去すること、及び
    膜システム（３５）の排水口から、水冷式原子炉の構成要素及び／又は系統から成る群から選択されたエンド・ユーザーに、補給水を送水すること、
    を含む、水冷式原子炉において補給水から溶存ガスを少なくとも一部除去するための方法。
16. 前記方法が、水冷式原子炉が補給水の供給を必要とする事象の発生に応答してオンデマンドで作動状態になる、請求項１５に記載の方法。
17. 前記方法が待機配列で作動し、水冷式原子炉が補給水を必要とする事象の発生に応答して作動状態配列に変更される、請求項１５に記載の方法。
18. 補給水が、膜システム（３５）の排水口から水冷式原子炉の炉心に送水される、請求項１５に記載の方法。

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