国内PWR プラントの水化学の動向に関する調査報告書

目 次 1 序 論 1 1.1 調 査 の 目 的.1 1.2 調 査 の 進 め 方 1 2 国 内 PWR プラントの 一 次 系 水 化 学 管 理 の 現 状 の 調 査.3 2.1 水 化 学 管 理 仕 様 の 技 術 的 背 景.3 2.1.1 PWR プラントの 一 次 冷 却 系 の 概 要 と 水 化 学 との 係 わり..3 2.1.2 線 量 率 低 減...10 2.1.3 原 子 炉 構 造 材 の 健 全 性 確 保...18 2.1.4 燃 料 被 覆 管 の 健 全 性 確 保 25 2.1.5 プラント 全 体 としてみた PWR 一 次 系 水 化 学 の 位 置 付 け..30 2.2 国 内 PWR プラントの 一 系 水 化 学 管 理 目 標 と 水 質 測 定.. 33 2.2.1 管 理 目 標 33 2.2.2 サンプリング 及 び 測 定 方 法...36 3 国 内 PWR プラントの 二 次 系 水 化 学 管 理 の 現 状 の 調 査...45 3.1 水 化 学 管 理 仕 様 の 技 術 的 背 景...45 3.1.1 PWR プラントの 二 次 冷 却 系 の 概 要 と 水 化 学 との 係 わり.45 3.1.2 蒸 気 発 生 器 の 健 全 性 確 保...47 3.1.3 二 次 系 機 器 の 健 全 性 確 保...54 3.1.4 プラント 全 体 としてみた PWR 二 次 系 水 化 学 の 位 置 付 け..58 3.2 国 内 PWR プラントの 二 次 系 水 化 学 管 理 目 標 と 水 質 測 定....63 3.2.1 管 理 目 標.63 3.2.2 サンプリング 及 び 測 定 方 法 66 4 国 内 PWR プラントの 水 化 学 管 理 の 変 遷 及 び 最 新 動 向 についての 調 査. 73 4.1 炉 型 別 水 化 学 管 理 に 関 する 考 察.73 4.1.1 改 良 標 準 化 プラント 73 4.1.2 APWR プラント..73 4.2 水 化 学 による 原 子 力 発 電 プラントの 安 全 性 及 び 信 頼 性 維 持 への 貢 献.78 4.2.1 これまでの 水 化 学 管 理..78 4.2.2 水 化 学 ロードマップ 78 4.3 線 量 率 低 減 81 4.3.1 更 なる 線 量 率 低 減 への 挑 戦 の 必 要 性..81 4.3.2 高 Li 濃 度 運 転...83 4.3.3 亜 鉛 注 入.85 4.3.4 濃 縮 ボロン 運 用..85 v v

4.4 原 子 炉 構 造 材 の 健 全 性 確 保 87 4.4.1 溶 存 水 素 濃 度 の 低 減..87 4.4.2 高 濃 度 亜 鉛 注 入.89 4.4.3 SG 伝 熱 管 健 全 性 確 保 89 4.4.4 二 次 系 配 管 の 減 肉 対 策.91 4.5 燃 料 被 覆 管 の 健 全 性 確 保 94 4.5.1 水 化 学 管 理 による 被 覆 管 の 健 全 性 確 保 対 策...94 4.5.2 燃 料 性 能 維 持 (AOA 対 策 ) 95 4.6 軽 水 炉 利 用 の 高 度 化 燃 料 高 度 化 及 び 高 経 年 化 プラントへの 対 応 との 関 連.98 4.6.1 軽 水 炉 利 用 の 高 度 化 との 関 連 98 4.6.2 燃 料 高 度 化 との 関 連 101 4.6.3 高 経 年 化 プラントへの 対 応..101 5 原 子 炉 安 全 及 び 放 射 線 安 全 への 関 連 事 項 の 抽 出 整 理 103 5.1 現 状 の 安 全 規 制..103 5.2 安 全 規 制 への 関 連 事 項..110 5.3 安 全 規 制 と 水 化 学 管 理 目 標 の 比 較 113 5.3.1 通 常 のプラントにおける 水 化 学 管 理 113 5.3.2 将 来 のプラント 水 化 学 管 理...113 6.まとめ.117 参 考 文 献.119 vi vi

[ 表 件 名 一 覧 ] 表 2.1.1-1 世 界 の 原 子 力 発 電 所... 5 表 2.1.1-2 原 子 炉 冷 却 材 に 要 求 される 性 質... 5 表 2.1.1-3 主 要 冷 却 材 の 比 較... 5 表 2.1.1-4 主 要 冷 却 材 の 核 特 性... 6 表 2.1.2-1 主 要 な 放 射 性 核 種... 13 表 2.1.2-2 冷 却 水 と 線 量 率 の 相 互 作 用... 13 表 2.1.3-1 構 造 材 と 冷 却 水 との 主 な 相 互 作 用... 21 表 2.1.3-2 インコネル 600 と SUS304 の 腐 食 度 の ph 依 存 性... 21 表 2.1.4-1 冷 却 水 と 燃 料 被 覆 材 の 相 互 作 用... 27 表 2.1.5-1 冷 却 水 と 線 量 率 燃 料 及 び 構 造 材 の 健 全 性 との 関 係 (PWR 一 次 冷 却 系 )... 31 表 2.2.1-1 出 力 運 転 時 の PWR 一 次 冷 却 材 の 水 化 学 管 理 目 標 例... 35 表 2.2.2-1 PWR 一 次 系 冷 却 材 の 測 定 項 目 と 代 表 的 な 測 定 方 法... 41 表 3.1.4-1 冷 却 水 と 線 量 率 燃 料 及 び 構 造 材 の 健 全 性 との 関 係 (PWR 二 次 冷 却 系 )... 61 表 3.1.4-2 国 内 PWR プラントの 2 次 系 水 処 理 の 変 遷... 61 表 3.2.1-1 出 力 運 転 時 の PWR 二 次 系 冷 却 材 化 学 管 理 目 標 例... 65 表 3.2.2-1 PWR 二 次 系 冷 却 材 の 測 定 項 目 と 代 表 的 な 測 定 方 法... 69 表 4.1.1-1 PWR プラントにおける 第 一 次 改 良 標 準 化 の 概 要... 75 表 4.1.1-2 PWR プラントにおける 第 二 次 改 良 標 準 化 の 概 要... 76 表 4.1.1-3 PWR と BWR の 水 化 学 諸 元 の 比 較... 76 表 4.1.2-1 APWR の 特 徴... 77 表 4.2.2-1 水 化 学 に 係 わる 研 究 開 発 の 展 開... 80 表 4.4.3-1 国 内 PWR プラントの 二 次 系 水 処 理 の 変 遷... 90 表 4.6.1-1 軽 水 炉 利 用 の 高 度 化 燃 料 高 度 化 及 び 高 経 年 化 プラントへの 対 応 との 関 連 (PWR) 100 表 5.1-1 電 気 事 業 法 の 関 係 部 分... 105 表 5.1-2 発 電 用 原 子 力 設 備 に 関 する 技 術 基 準 を 定 める 省 令 の 関 係 部 分 ( 通 商 産 業 省 令 第 六 十 二 号 )... 105 表 5.1-3 核 原 料 物 質 核 燃 料 物 質 及 び 原 子 炉 の 規 制 に 関 する 法 律 の 関 係 部 分... 105 表 5.1-4 実 用 発 電 用 原 子 炉 の 設 置 運 転 等 に 関 する 規 則 の 関 係 部 分 (1)... 106 表 5.1-5 実 用 発 電 用 原 子 炉 の 設 置 運 転 等 に 関 する 規 則 の 関 係 部 分 (2)... 107 表 5.1-6 労 働 安 全 衛 生 法 の 関 係 部 分... 108 表 5.1-7 電 離 放 射 線 障 害 防 止 規 則 の 関 係 部 分... 108 表 5.1-8 一 次 冷 却 材 中 のよう 素 131 濃 度 が 制 限 を 満 足 していないときの 措 置... 108 表 5.1-9 一 次 冷 却 材 中 のホウ 素 濃 度 (モード6)が 制 限 を 満 足 していないときの 措 置.. 108 表 5.1-10 水 質 管 理 に 関 する 運 転 上 の 留 意 事 項... 109 表 5.2-1 PWR 一 次 系 水 化 学 管 理 項 目 と 達 成 目 的 との 関 係... 112 表 5.2-2 PWR 二 次 系 水 化 学 管 理 項 目 と 達 成 目 的 との 関 係... 112 表 5.3.1-1 目 標 値 と 保 安 規 定 の 留 意 事 項 で 定 められた 値 の 比 較 (PWR)... 115 vii vii

表 5.3.1-2 目 標 値 と 保 安 規 定 の 留 意 事 項 で 定 められた 値 の 比 較 (BWR)... 115 表 5.3.2-1 従 来 の 目 標 値 を 超 えた 新 しい 水 化 学 管 理... 116 viii viii

[ 図 件 名 一 覧 ] 図 2.1.1-1 我 が 国 の 原 子 力 発 電 所... 6 図 2.1.1-2 PWR 及 び BWR 冷 却 系 における 材 料 マップ... 7 図 2.1.1-3 PWR プラントの 一 次 系 の 系 統 概 要 と 使 用 材 料 例... 8 図 2.1.1-4 主 要 構 造 材 料 とその 接 液 面 積 比... 8 図 2.1.1-5 水 化 学 関 連 の 主 要 課 題 とその 成 果... 9 図 2.1.2-1 原 子 炉 1 基 あたりの 集 団 線 量 の 推 移... 14 図 2.1.2-2 放 射 性 腐 食 生 成 物 蓄 積 と 従 事 者 被 ばく 線 量 の 関 係... 14 図 2.1.2-3 PWR 一 次 系 における 腐 食 生 成 物 の 挙 動 腐 食 生 成 物 の 発 生 放 射 化 及 び 蓄 積. 14 図 2.1.2-4 PWR 蒸 気 発 生 器 水 室 内 の 主 要 放 射 性 腐 食 生 成 物 とその 線 量 率 への 寄 与... 15 図 2.1.2-5 BWR 再 循 環 系 配 管 内 の 主 要 放 射 性 腐 食 生 成 物 とその 線 量 率 への 寄 与... 15 図 2.1.2-6 ニッケルフェライトの 溶 解 度... 16 図 2.1.2-7 ニッケルフェライトの 溶 解 度 の 温 度 依 存 性 ( 一 定 [B], [Li])... 16 図 2.1.2-8 一 次 冷 却 材 の ph 管 理 例... 17 図 2.1.2-9 改 良 された 一 次 冷 却 材 ph 管 理 の 推 奨 範 囲... 17 図 2.1.3-1 インコネル 600MA の PWSCC 感 受 性 等 高 線 図... 22 図 2.1.3-2 逆 U 曲 げ 試 験 片 による 伝 熱 管 材 料 の 耐 SCC 感 受 性 比 較... 22 図 2.1.3-3 SUS304 の SCC 発 生 に 及 ぼす 塩 素 イオン 濃 度 及 び 溶 存 酸 素 濃 度... 23 図 2.1.3-4 SUS304 の SCC 感 受 性 に 及 ぼす 温 度 の 影 響... 23 図 2.1.3-5 ホウ 酸 水 の 放 射 線 分 解 による 水 素 発 生 量 に 及 ぼす 初 期 水 素 濃 度 の 影 響... 24 図 2.1.3-6 種 々の 温 度 における 臨 界 水 素 濃 度 のホウ 素 濃 度 依 存 性... 24 図 2.1.4-1 ジルカロイ-4 の 腐 食 量 に 及 ぼす 不 純 物 濃 度 の 影 響 (350,1.5ppm Li+600ppm B) 27 図 2.1.4-2 ジルカロイ-4 の 腐 食 速 度 に 対 するふっ 素 濃 度 及 びクロム 酸 濃 度 の 影 響... 27 図 2.1.4-3 ジルコニウム 合 金 の 腐 食 率 に 及 ぼす 溶 存 酸 素 濃 度 の 影 響... 28 図 2.1.4-4 ジルカロイの 腐 食 に 及 ぼす 水 素 添 加 の 影 響... 28 図 2.1.4-5 ジルカロイ-4 の 腐 食 に 及 ぼす ph(リチウム 濃 度 )の 影 響... 29 図 2.1.4-6 水 中 リチウム 濃 度 とジルカロイ-4 の 腐 食 速 度 との 関 係... 29 図 2.1.5-1 原 子 力 発 電 プラントにおける 冷 却 水 の 役 割 (PWR)... 32 図 2.1.5-2 最 適 水 化 学 制 御... 32 図 2.2.2-1 冷 却 系 の 主 要 構 造 材 と 水 化 学 関 連 データ 採 取 法 PWR プラント... 42 図 2.2.2-2 サンプリング 配 管 模 式 図... 42 図 2.2.2-3 高 温 水 の 導 電 率 及 び ph... 43 図 2.2.2-4 一 次 冷 却 水 採 取 法 (イオン 交 換 ペーパ 法 )... 43 図 2.2.2-5 水 化 学 データ 取 得 処 理 評 価 システム(PWR プラントでの 一 例 )... 44 図 2.2.2-6 炉 外 シッピング 検 査 の 概 要 ( PWR 燃 料 の 破 損 検 出 )... 44 図 3.1.1-1 PWR 冷 却 系 における 材 料 マップ... 46 図 3.1.1-2 PWR プラントの 二 次 系 の 系 統 概 要 と 使 用 材 料 例... 46 図 3.1.2-1 PWR 蒸 気 発 生 器 伝 熱 管 の 腐 食 損 傷 部 位... 50 図 3.1.2-2 蒸 気 発 生 器 の 伝 熱 管 損 傷 の 履 歴... 50 ix ix

図 3.1.2-3 蒸 気 発 生 器 伝 熱 管 材 料 の 粒 界 腐 食 損 傷 の 発 生 環 境 条 件... 51 図 3.1.2-4 不 純 物 濃 度 が 狭 隘 部 (クレビス)pH に 及 ぼす 影 響... 51 図 3.1.2-5 酸 化 物 による 600 合 金 の 腐 食 電 位 上 昇... 52 図 3.1.2-6 MA600 合 金 の 電 位 と 孔 食 電 位 との 関 係... 52 図 3.1.2-7 インコネル 600 合 金 の 腐 食 と 塩 素 イオン 濃 度 との 関 係... 53 図 3.1.3-1 高 温 水 中 における 炭 素 鋼 の 腐 食 量 と ph との 関 係... 56 図 3.1.3-2 給 水 ph( 導 電 率 )と 系 統 での 鉄 銅 ニッケル 濃 度 の 関 係... 56 図 3.1.3-3 鉄 系 材 料 の 減 肉 速 度 と ph との 関 係... 57 図 3.1.4-1 最 適 ph 制 御 (PWR 二 次 系 )... 62 図 3.1.4-2 蒸 気 発 生 器 伝 熱 管 の 粒 界 腐 食 割 れ... 62 図 3.2.2-1 冷 却 系 の 主 要 構 造 材 と 水 化 学 関 連 データ 採 取 法 PWR プラント... 70 図 3.2.2-2 サンプリング 配 管 模 式 図... 70 図 3.2.2-3 二 次 冷 却 水 採 取 法 (イオン 交 換 ペーパ 法 )... 71 図 3.2.2-4 オンラインイオンクロマトグラフィ (PWR プラントでの 一 例 )... 71 図 3.2.2-5 水 化 学 データ 取 得 処 理 評 価 システム (PWR プラントでの 一 例 )... 72 図 4.1.2-1 APWR と 従 来 型 PWR の 蒸 気 発 生 器 の 比 較... 77 図 4.2.2-1 水 化 学 と 構 造 材 燃 料 被 覆 材 との 相 関 関 係... 80 図 4.2.2-2 水 化 学 ロードマップの 主 要 課 題 の 相 関 及 び 既 存 ロードマップとの 関 係... 80 図 4.3.1-1 被 ばく 線 量 の 状 況 と 線 量 低 減 の 取 り 組 み... 82 図 4.3.2-1 将 来 型 一 次 冷 却 材 ph 管 理 の 範 囲 ( 概 念 図 )... 84 図 4.3.4-1 濃 縮 ボロンによる ph 管 理 の 概 念 図... 86 図 4.4.1-1 PWSCC に 及 ぼす 水 素 濃 度 効 果 (360 でのき 裂 進 展 速 度 )... 88 図 4.4.1-2 PWSCC に 及 ぼす 水 素 濃 度 効 果 (330 でのき 裂 発 生 潜 伏 時 間 )... 88 図 4.4.3-1 蒸 気 発 生 器 伝 熱 管 の 粒 界 腐 食 割 れ... 90 図 4.4.4-1 最 適 ph 制 御 (PWR 二 次 系 )... 92 図 4.4.4-2 敦 賀 発 電 所 での 酸 素 注 入 による FAC 抑 制 効 果 の 測 定 ( 経 時 変 化 )... 92 図 4.4.4-3 敦 賀 発 電 所 での 酸 素 注 入 による FAC 抑 制 効 果 の 測 定 ( 酸 素 濃 度 依 存 性 )... 95 図 4.5.2-1 仏 国 におけるAOA 発 生 状 況... 96 図 4.5.2-2 仏 国 におけるAOA 発 生 事 例 数... 96 図 4.5.2-3 サブクール 沸 騰 面 へのNi 及 びBの 付 着 と 化 学 形 態 変 化 概 念 図... 97 x x

[ 略 語 表 ] (アルファベット 順 ) 略 語 説 明 ALARA: As Low As Reasonably Achievable, 被 ばく 低 減 の 考 え 方 ( 合 理 的 に 達 成 できる 限 り 低 く) AOA: Axial Offset Anomaly, ボロンの 析 出 による 燃 料 の 軸 方 向 出 力 異 常 AVT: All Volatile Treatment, アンモニアを 主 とする 全 揮 発 性 ph 制 御 AVT(O): AVT (Oxidizing conditions (residual oxygen present)), 酸 素 を 残 存 させた AVT AVT(R): AVT (Reducing conditions (added reducing agent)), 脱 酸 素 での AVT BEC: Broached Egg Crate, 伝 熱 管 支 持 板 のひとつの 形 BWR: Boiling Water Reactor, 沸 騰 水 型 原 子 炉 CANDU: Canadian Deuterium Uranium, 重 水 減 速 重 水 冷 却 圧 力 管 型 炉 EPRI: Electric Power Research Institute, 米 国 電 力 中 央 研 究 所 FAC: Flow Accelerated Corrosion, 流 れ 加 速 型 腐 食 IGA: Inter Granular Attack, 粒 界 腐 食 損 傷 OT: Oxygenated Treatment, 酸 素 処 理 PWR: Pressurized Water Reactor, 加 圧 水 型 原 子 炉 PWSCC: Primary Water Stress Corrosion Cracking, 一 次 冷 却 水 中 の 環 境 下 における 応 力 腐 食 割 れ SCC: Stress Corrosion Cracking, 応 力 腐 食 割 れ SG: Steam Generator, 蒸 気 発 生 器 STP: Standard ambient Temperature and Pressure, 標 準 状 態 VVER: ロシア 型 加 圧 水 型 原 子 炉 xi xi