PWR プラントにおけるスケール付着事象 平成 25 年 6 月 27 日原子力学会水化学部会定例研究会 関西電力株式会社 寺地巧
2 主要なスケール付着問題 2 鉄スケール 1 コバルト付着 11 次系スケール中のコバルト 被ばく低減の観点から問題 2SG2 次側に持ち込まれる鉄のスケール付着 伝熱管性能低下や材料健全性などの観点から問題 スケール付着は 本定例研究会でも過去に取り扱われているため プラントパラメータを中心に紹介
3 1 次系水処理の変遷 運転中 停止時 1970 年代 ph 管理 ( 改良前 ) Modified ph (Li<2.2ppm) Modified ph (Li<3.5ppm) 外層クラッド除去満水酸化 1980 年代 1990 年代 2000 年代 2010 年代 SGR SGR SGR SGR SGR SGR SGR 美浜 1 号機 美浜 2 号機 高浜 1 号機 高浜 2 号機 美浜 3 号機 大飯 1 号機 大飯 2 号機 高浜 3 号機 高浜 4 号機 大飯 3 号機 大飯 4 号機
4 1 次系の腐食生成物 外層 NiFe 2 O 4,Fe 3 O 4 正スピネル型の腐食生成物 コバルト 内層 FeCr 2 O 4 逆スピネル型の微細粒 模擬皮膜の TEM 断面観察結果 (316SS,PWR 模擬条件,340 時間浸漬 ) 2 層 ( または 3 層 ) の腐食生成物 外層のクラッド主要組成はニッケルフェライト (NiFe 2 O 4 ) スピネル構造で内層側はクロム濃度が高い コバルトは内層側で特に安定 出典 :Terachi et al., Nuclear Science and Technology Vol.45, 10(2008)
5 1 次系線量率の長期トレンド変化 SG 水室平均 (Hot,Cold) 線量率 (msv/h) 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 定検回数 11 プラントにおける SG 水質線量率の変化 プラント間での差は大きいが 全体的に低下傾向
6 SGR 前後における線量率変化 ( 関西電力の 7PWR) SG 水室平均線量率 (msv/h) 140 120 100 80 60 40 20 SGRプラントの平均 1 2 3 4 5 SGR 0-20 -10 0 10 20 定検回数 (SGR 定検基準 ) 平均値には以下の傾向が認められた 1 継続的な低下 2 一時的な増加 3 再び低下を開始 4 プラトーを形成 5 低下の再開 詳細評価が必要
7 線量率低下の要因に関する考察 線源発生移行の概念 1)SG, 主要系統からの Ni,Co の溶出 2) 燃料表面での放射化 Ni58 Co58 Co59 Co60 3) 系統設備への析出 線量率変化の要因 腐食量の変化 皮膜形成による溶出量の低下 (Ni 溶出抑制 Co58 生成抑制 ) 設備保全による溶出の増加 (Co 溶出増加 Co60 生成要因 ) SGR など材料の改善 600 合金 690 合金高 Cr 化による Ni 溶出量低下 水処理の高度化 高 ph 化 起動停止時の水処理改善による溶出析出挙動の管理 亜鉛注入による析出抑制など Co58/Co60 比率の低下により Ni の溶出抑制が把握可能
8 SG 使用年数と Co58/Co60 比率の関係 コールドレグ ホットレグ配管の平均 Co58/Co60 比率 30 25 20 15 10 5 0 TT600 TT690 TT600 SG 水室表面の各種分析結果より Co58/Co60 比率を算出 TT690 0 10 20 30 SG 使用開始後定検回数 TT600 プラントは TT690 プラントより Co58 の比率が高い 母材中の Ni 濃度が高い Co58 比率は SG 使用初期に高く その後低下する 使用初期は Ni 溶出が多い Ni58 Co58 が生成 Co60 は半減期が長く蓄積される ( 半減期 Co60:5.27 年, Co58:71 日 )
9 SGR 前後における線量率変化 ( 関西電力の 7PWR) SG 水室平均線量率 (msv/h) 140 120 100 80 60 40 20 SGR 0-20 -10 0 10 20 定検回数 (SGR 定検基準 ) SG 水室線量平均値 Co60 寄与分 ( 評価値 ) Co58 寄与分 ( 評価値 ) 1 2 3 4 5 1 継続的な低下 保護皮膜形成により Ni 溶出量が低下 : Co58 が減少 2 一時的な増加 Ni 溶出量増加により Co58 が増加 3 再び低下を開始 Ni 溶出量が再度減少し Co58 が低下 4 プラトー Co58 の低下に伴い 相対的に Co60 の影響が顕著になっている 5 低下の再開 順次亜鉛注入を開始
10 亜鉛注入前後における線量率変化 ( 関西電力 10 プラント ) SG 水室平均線量減少 r 率 (Zn 注入直前を 1 として規格化 ) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 平均値 5±3ppb の Zn 注入を開始 0-5 -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 5 定検回数 (Zn 注入前を基準 ) 1.4 M21.2 M3 T1 1 Co60 半減期 ( 定検間隔 15 月として概算 ) T20.8 T3 0.6 T4 O10.4 O2 EPRI 報告式 (5ppb,1サイクル13 月 ) ( 出典 :D. Perkins et al., O30.2 NPC, 2008, Berlin) O4 0 averagea 0 1 2 3 4 5 線量減少率 定検回数 (Zn 注入前を基準 ) 亜鉛注入 減少傾向が明瞭に EPRI 報告式と類似の低下傾向 Co60 の半減期と相関あり ( 減衰による低下と一致 )
11 1 次系におけるスケール問題 (SG 水質線量率 ) まとめ プラント線量率は連続的に低下傾向 SG 伝熱管からのNi 溶出量低下に伴い 線量率 (Co58) が低下 水処理高度化 ( 運転中 起動停止時の水質管理 ) が寄与 材料変更 (SGR) などは 一時的に線量率増加要因として影響 事前皮膜処理が有効と考えられる 被ばく低減に関する取り組み 亜鉛注入はCo 取り込み抑制に顕著な効果を発揮 (5 年で半減 ) 高経年化プラントはCo60への対策が重要
12 2 次系における主要なスケール付着問題 鉄スケール SG2 次側に持ち込まれる鉄を主体としたスケールの付着 伝熱性能低下 SG 健全性の観点から持ち込み抑制を実施 FAC(2 次系配管の減肉 ) の観点からも重要
13 SG への鉄持込による不具合 管支持板 BEC 穴へのスケール付着 水位振動の発生による出力抑制問題 腐食環境の形成問 (IGA の発生懸念 ) デンティング 直管部へのスケール付着 伝熱効率の低下 主な対策 管板上へのスラッジ堆積 腐食環境の形成問題 (IGA 発生懸念 ) 運転中 : 鉄の持ち込み抑制 (ph 制御 アミン種の選定 ) 定検中 : スラッジランシング BEC 洗浄 ASCA 洗浄本講演ではプラント実績を紹介 ( 技術項目はMHI 殿により情報提供 )
14 2 次系水処理の変遷 70 年代 80 年代 90 年代 2000 年代 リン酸処理 AVT 処理ほう酸注入 営業運転開始 リン酸塩処理 AVT 処理 ( ヒト ラシ ン-アンモニア ) ほう酸注入 微量 ETA(ETA0.1~0.2ppm) ETA 注入 (ETA3ppm) 高 ETA 注入 (ph9.8) 高アンモニア注入 (>ph9,8) 全量コンテ ミ設置 SGR ETA 排水処理設置 ETA 注入 微量 ETA 高 ETA 注入 高アンモニア SG 健全性確保 鉄持ち込み抑制を主たる目的に水質を継続的に改善 各プラントの設備に適した水質管理を実施 美浜 1 号機 美浜 2 号機 高浜 1 号機 高浜 2 号機 美浜 3 号機 大飯 1 号機 大飯 2 号機 高浜 3 号機 高浜 4 号機 大飯 3 号機 大飯 4 号機
2 次系スラッジランシングでの鉄除去量 ( 関西電力の PWR 11 プラント ) 15 1000 AVT ETA 高 ph 化 スラッジランシングスラッジ除去量 (kg) 100 10 SGR 前 SGR 後 (BEC 洗浄 ) SGR 後 スラッジランシング : 管板部に堆積した鉄 ( 主にマグネタイト ) を水圧により除去 1 1982 1987 1993 1998 2004 2009 2014 年 スラッジランシング時のスラッジ除去量は低下傾向にある AVT から ETA への変更 高 ph 化により継続的に低下
給水鉄濃度 ph の変遷 (SGR 以降の関西電力 11 プラントにおけるサイクル平均 ) 16 AVT ETA 高 ph 化 10 20 18 給水 ph(25 ) 9.5 9 8.5 16 14 12 10 8 6 給水鉄濃度 (ppb) 鉄スケール 8 4 2 7.5 0 1993 1998 2004 2009 2014 高 ph 化は銅の溶出増加となるため 銅系材料 ( 復水器 給水過熱器伝熱管 ) の排除と合わせ段階的に高 ph 化を推進 ph 増加に伴い 給水鉄濃度は低下傾向
17 給水鉄濃度と ph の関係 サイクル平均給水鉄濃度 (ppb) 10 8 6 4 2 データ出典 :Mailand et. al., NPC2012 (Beznau NPP) Beznau Kepco サイクル平均給水鉄濃度 (ppb) 10 1 データ出典 :Fruzzetti et. al., NPC2012 Kepco 0 0.1 9 9.5 給水 ph 10 9 9.5 10 給水 ph Beznau NPP と関西電力プラントの比較 EPRI 公開データと関西電力プラントの比較 同 ph では 海外プラントより僅かに低い給水鉄濃度低減を達成 ph9.5~9.9 程度で 給水鉄濃度 2~1ppb( 目標 1ppb) までの低減が見込まれる
18 2 次系 ph 最適化の概念 給水鉄濃度低減には高 ph 化が有効 高 ph 化の弊害 ( 例 ) アミン使用量増加によるコンデミ ( 復水処理装置 ) の負荷増加 コンデミのバイパス運転 不純物量の増加懸念 銅系材料の溶出 ( 対策 : 復水器やヒータなどから銅系材料の排除が必要 ) ETA 排水処理 高圧タービン MSH 低圧タービン 設備健全性 経済性などを考慮し 各プラントに最適なアミン種 ( アンモニア ETA モルフォリンなど ) 選定 ph 管理を実施 蒸気発生器 参考 :ETA は気液分配係数の差により アンモニアと比べて抽気系統での溶出抑制効果が高い 高圧ヒータ 低圧ヒータ復水処理装置 PWR2 次系主要系統
19 2 次系におけるスケール問題 (SG 鉄持込 ) まとめ SG への鉄および不純物持ち込み抑制 FAC 抑制の観点から 2 次系の水化学管理改善が進められている ETA 採用 高 ph 化により,SG へ持ち込まれる鉄は継続的に低下している ph9.5~9.9 程度で 給水鉄濃度 2~1ppb までの低減が見込まれる