DE102005058737B4

DE102005058737B4 - Kernkraftwerk, Verfahren zur Bildung einer korrosionsbeständigen Beschichtung dafür und Verfahren zum Betrieb eines Kernkraftwerks

Info

Publication number: DE102005058737B4
Application number: DE102005058737A
Authority: DE
Inventors: Masato Okamura; Tetsuo Oosato; Seiji Yamamoto; Tadasu Yotsuyanagi; Nagayoshi Ichikawa; Kenji Yamazaki; Junichi Takagi; Hidehiro Urata; Shunichi Suzuki; Kenro Takamori; Junichi Suzuki
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2005-12-08
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP4776219B2; TWI273608B; US20120128886A1; TW200636759A; US8731132B2; JP2006162522A; SE0502706L; DE102005058737A1; US8681925B2; US20060146975A1; US8320514B2; US20120128111A1

Abstract

Kernkraftwerk, bei dem die Wasserstoffkonzentration in Wasser in einem Kernreaktor gesteuert ist, ein korrosionsbeständiger Oxidfilm auf einer Oberfläche einer Metallkomponente einer Reaktorstruktur ausgebildet ist, die Wasser mit hoher Temperatur in einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt ist, wobei der korrosionsbeständige Oxidfilm ein Oxid mit der Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters enthält, und eine katalytische Substanz mit einem n-Typ-Halbleiter als thermischen Anregungskatalysator, der durch Wärme angeregt wird, auf dem korrosionsbeständigen Oxidfilm abgeschieden ist, so dass der Oxidfilm die Eigenschaft des p-Typ-Halbleiters in der reduzierenden Atmosphäre, in der die Wasserstoffkonzentration gesteuert ist, beibehält,
wobei das Oxid, das den p-Typ-Halbleiter aufweist, einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger aufweist und aus mindestens einem von Fe₃O₄, FeO, NiO, PdO, UO₂, WO₂, Cr₂O₃, NiCr₂O₄, ZnCr₂O₄, CoCr₂O₄, FeCr₂O₄, MnO, Mn₂O₃, Mn₃O₄, Co₃O₄, CoO, Cu₂O, Ag₂O, CoAl₂O₄, MgCr₂O₄, NiAl₂O₄ und PbO zusammengesetzt ist, und
die katalytische Substanz mit der Eigenschaft des n-Typ-Halbleiters mindestens eine von TiO₂, BaTiO₃,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technologie zur Unterdrückung der Korrosion von Metallkomponenten, wie z. B. von Strukturkomponenten eines Kernkraftwerks, die in Kontakt mit Wasser mit hoher Temperatur stehen, und insbesondere ein Kernkraftwerk, in dem eine korrosionsbeständige Beschichtung eingesetzt wird, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen korrosionsbeständigen Beschichtung und ein Verfahren zum Betreiben des Kernkraftwerks.
Metallkomponenten, die einer Hochtemperaturumgebung ausgesetzt sind, finden sich in nahezu allen modernen industriellen und kommerziellen Anlagen. Beispielsweise wird die Reaktion bei einer Dampfreformierung in einer chemischen Anlage zur Herstellung von Wasserstoff bei hohen Temperaturen und Drücken durchgeführt. Innerhalb eines Dampferzeugers oder eines Metallrohrs, das mit dem Dampferzeuger verbunden ist, bewegen sich heißes Wasser und Dampf, wobei sie eine Korrosion verursachen. Die herkömmlichen Präventivmaßnahmen gegen die Korrosion von Metallkomponenten umfassten die Verwendung teurer, spezieller korrosionsbeständiger Materialien, Verbesserungen der Umgebung, der die Metallkomponenten ausgesetzt sind, usw. Beispielsweise wird in einem Wärmekraftwerk ein pH-Steuerungsmittel, ein Desoxidationsmittel oder dergleichen zugesetzt, um die Wasserchemie zu steuern und dadurch die Korrosion zu vermindern.
In einem Siedewasser-Kernkraftwerk liegen Sauerstoff, Wasserstoffperoxid und dergleichen, die durch eine Radiolyse von Wasser im Strahlungsfeld erzeugt worden sind, in einem Zustand vor, bei dem sie im Reaktorwasser gelöst sind. Es ist eine bekannte Tatsache, dass Edelstahl und Legierungen auf Nickelbasis, die für Reaktorstrukturkomponenten eines Kernkraftwerks verwendet werden, in der Gegenwart von Sauerstoff und Wasserstoffperoxid in einer Hochtemperaturumgebung, wie z. B. einem Kernreaktor, einer Spannungsrisskorrosion unterliegen.
In einigen BWR-Anlagen (Siedewasserreaktor-Anlagen) weltweit wurde eine Wasserstoffinjektion eingesetzt, bei der Wasserstoff in das Reaktorwasser injiziert wird, um Sauerstoff und Wasserstoffperoxid, die in dem Reaktorwasser gelöst sind, zu reduzieren (vgl. Genshiro Mizu-Kagaku Handbook [Handbuch der Wasserchemie von Kernreaktorsystemen], herausgegeben von Atomic Energy Society of Japan, veröffentlicht von Corona Publishing Co., Ltd., 27. Dezember 2000, Seite 210). Der Effekt der Reduktion des Sauerstoffs und des Wasserstoffperoxids durch die Wasserstoffinjektion zeigt sich als Abnahme des Korrosionspotenzials der Metallkom ponenten. Die Erzeugung einer Spannungsrisskorrosion und die Risswachstumsgeschwindigkeit hängen vom Korrosionspotenzial ab. Je niedriger das Korrosionspotenzial ist, desto stärker werden die Erzeugung einer Spannungsrisskorrosion und die Entwicklung von Rissen unterdrückt. Als Ergebnis kann die Lebensdauer der Metallkomponenten verlängert werden.
Andere Kernkraftwerke innerhalb und außerhalb Japans nutzen eine Edelmetallinjektionstechnologie der Durchführung einer Wasserstoffinjektion nach der Abscheidung eines Edelmetalls, wie z. B. Platin (Pt) oder Rhodium (Rh), auf Oberflächen von Reaktorstrukturkomponenten, um die Reaktion mit Wasserstoff zu beschleunigen und den Anodenstrom zu erhöhen, um dadurch das Korrosionspotenzial zu senken (vgl. die Beschreibung des japanischen Patents Nr. 2624906 ).
Das Korrosionspotenzial des Metalls hat die folgende Bedeutung. Wenn ein Metall in einen Elektrolyten eingetaucht wird, zeigt das Metall ein Potenzial, das dem Metall inhärent ist. Dieses Potenzial wird als „spontanes Potenzial” des Metalls bezeichnet. Ein korrodiertes Metallmaterial zeigt aufgrund der Korrosionsreaktion ein Potenzial, das sich von dessen spontanem Potenzial unterscheidet (polarisiert). Diese Potenzialdifferenz wird als „Korrosionspotenzial” bezeichnet. Durch eine kontinuierliche Messung der Potenzialdifferenz kann der Fortschritt der Korrosion abgeschätzt werden.
In einem einheitlich korrodierten Metallmaterial erreichen die Kathodenreaktion (Reduktionsreaktion) und die Anodenreaktion (Oxidationsreaktion) an dem Schnittpunkt der Kathodenreaktionspolarisationskurve und der Anodenreaktionspolarisationskurve ein Gleichgewicht. Dieser Schnittpunkt entspricht dem Korrosionspotenzial.
Ein anderer Ansatz, der kürzlich zur Senkung des Korrosionspotenzials viel Aufmerksamkeit erlangt hat, ist die Nutzung einer photokatalytischen Reaktion. Durch Beschichten von Oberflächen der Metallkomponenten mit einem Photokatalysator und Bestrahlen des Photokatalysators mit Licht mit einer Wellenlänge nahe an Ultraviolett, führen Elektronen, die durch die Photoanregungsreaktion aktiviert worden sind, zu einer Senkung des Korrosionspotenzials. Die Photoanregungsreaktion kann mit einem in der Nähe abgeschiedenen Edelmetall beschleunigt werden.
Demgemäß kann durch die Abscheidung eines Photokatalysators oder eines hocheffizienten Photokatalysators, der ein Edelmetall enthält, auf Oberflächen der Reaktorstrukturkomponenten, und Induzieren einer Photoanregungsreaktion durch die Cerenkov-Strahlung, die im Reak torkern erzeugt wird, das Korrosionspotenzial während des Betriebs vermindert werden (vgl. z. B. die japanischen Patentoffenlegungsschriften JP 2001-4789 A und 2001-276628 A ). Als Verfahren zur Verhinderung einer Korrosion von Teilen der Metallkomponenten beim Fehlen von Licht wurde eine Technologie zur Senkung der Potenzialdifferenz durch Erzeugen eines thermisch angeregten Stroms unter Verwendung von thermischer Energie anstelle von Lichtenergie vorgeschlagen (vgl. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-232886 ).
Ein weiteres Korrosionsverminderungsverfahren, das vorgeschlagen worden ist, besteht darin, n-Typ-Halbleiterbeschichtungen und p-Typ-Halbleiterbeschichtungen abwechselnd auf Oberflächen von Metallkomponenten zu laminieren (vgl. die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-125283 ). Ein weiteres vorgeschlagenes Korrosionsverhinderungsverfahren besteht darin, eine Beschichtung bereitzustellen, die aus drei oder mehr abwechselnd gestapelten Schichten aus einer Anionen-permselektiven Substanz und einer Kationen-permselektiven Substanz besteht (vgl. die japanische Patentoffenlegungsschrift JP 11-12719 A ).
Gemäß der Technologie, die in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung JP 2001-4789 A beschrieben ist, werden Elektronen, die mit Licht bestrahlt werden, durch eine Photoanregungsreaktion aktiviert, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird, der das Korrosionspotenzial senkt. In Teilen, die nicht dem Licht ausgesetzt sind, kann jedoch kaum ein Korrosionsverhinderungseffekt erwartet werden.
Im Gegensatz zu der Korrosionsverhinderungstechnologie, die eine Photoanregung nutzt, ist eine Technologie, bei der das Korrosionspotenzial durch die Nutzung eines elektrischen Stroms vermindert wird, der durch thermisch angeregte Elektronen erzeugt wird, in der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 2003-232886 A beschrieben. Gemäß dieser Technologie zur Erzeugung eines thermisch angeregten Stroms verursachen Löcher, die durch eine thermische Anregung erzeugt worden sind, eine Anodenreaktion und erhöhen dadurch den Strom. In der Praxis rekombinieren jedoch die Elektronen, die durch Wärme angeregt worden sind, mit Löchern, die durch die gleiche thermische Anregung erzeugt worden sind, und der elektrische Strom kann kaum fließen. Um die angeregten Elektronen und Löcher effizient in einen elektrischen Strom umzuwandeln, muss eine Ladungstrennung zuverlässig durchgeführt werden. Ferner muss der Zustand, der eine Ladungstrennung ermöglicht, konstant aufrechterhalten werden, und die Umgebungsbedingungen, denen die Metallkomponenten ausgesetzt sind, müssen berücksichtigt werden.
Darüber hinaus weisen Kernkraftwerke in ihrem Inneren eine große Anzahl verengter Teile und Teile mit komplizierten Formen auf. Folglich könnten die Korrosionsverhinderungsverfahren, bei denen die Halbleitereigenschaften genutzt werden, welche in den japanischen Patentoffenlegungsschriften JP 9-125283 A und JP 11-12719 A beschrieben sind, nur unter Schwierigkeiten angewandt werden.
DE 100 30 726 A1 betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung der Korrosion eines Reaktorbauteils, welches das Kontrollieren des Korrosionspotenzials des Reaktorbauteils durch Bereitstellen einer Korrosionspotenzial-vermindernden Substanz auf einer Oberfläche des Reaktorbauteils umfasst, wobei die Korrosionspotenzial-vermindernde Substanz ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus einer photokatalytischen Substanz, die eine elektromotorische Kraft unter Bestrahlung mit Licht oder radioaktiven Strahlen in dem Kernreaktor generiert, und einem Metall oder einer Metallverbindung, die die photokatalytische Substanz unter einer Bedingung, die durch eine Temperatur und einen Druck in dem Kernreaktor spezifiziert ist, bildet.
US 5,768,330 A beschreibt ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung und der Langlebigkeit von Beschichtungen aus Metall in einer Hochtemperaturumgebung, die aus wässrigen Lösungen von anorganischen Verbindungen, organischen Verbindungen oder Organometallverbindungen abgeschieden worden sind.
DE 35 04 925 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schutz von Dampferzeugern, insbesondere von Kernreaktoren.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung des vorstehend genannten Standes der Technik gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kernkraftwerks, in dem eine korrosionsbeständige Beschichtung eingesetzt wird, die eine Unterdrückung einer Korrosion aufgrund einer Spannungsrisskorrosion an verschiedenen Stellen der Reaktorstrukturkomponenten, die nicht Licht ausgesetzt sind, sicherstellen kann, und die den Effekt der Korrosionsunterdrückung für einen langen Zeitraum effektiv aufrechterhalten kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bildung einer solchen korrosionsbeständigen Beschichtung und eines Verfahrens zum Betreiben eines Kernkraftwerks mit einer verbesserten Effizienz.
Diese und andere Aufgaben werden erfindungsgemäß durch das Kernkraftwerk nach Anspruch 1, das Verfahren nach Anspruch 6 und das Verfahren nach Anspruch 16 gelöst. Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß den vorstehenden Aspekten der vorliegenden Erfindung kann der korrosionsbeständige Oxidfilm so gebildet werden, dass die Funktionen und Effekte der Eigenschaft oder der Leistung des n-Typ-Halbleiters erreicht werden, während die Eigenschaft des p-Typ-Halbleiters aufrechterhalten oder bewahrt wird. Die Unterdrückung einer Korrosion aufgrund einer Spannungsrisskorrosion von Metallkomponenten einer Reaktorstruktur kann sichergestellt werden und der Effekt der Unterdrückung einer Korrosion von Metallkomponenten kann für einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden.
Weitere charakteristische Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter verdeutlicht.
In den beigefügten Zeichnungen
ist 1 ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kernkraftwerks zeigt;
2 ein Diagramm, das eine korrosionsbeständige Beschichtung zeigt, die durch Bilden eines Oxidfilms, der Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters aufweist, auf einer Oberfläche eines Metallsubstrats für eine Reaktorstrukturkomponente, und dann Abscheiden einer katalytischen Substanz mit Eigenschaften eines n-Typ-Halbleiters auf dem Oxidfilm hergestellt wird,
3 ein Diagramm, das eine Ladungstrennung aufgrund eines pn-Übergangs zeigt,
4 ein Graph, der die Änderung des Korrosionspotenzials (280°C) in Bezug auf die Menge an injiziertem Wasserstoff zeigt, wenn ein Oxidfilm, der aus Fe₃O₄ zusammengesetzt ist, bei dem es sich um einen p-Typ-Halbleiter handelt, auf einer Oberfläche eines Edelstahls vorliegt, und TiO₂, wobei es sich um einen n-Typ-Halbleiter handelt, auf dem Oxidfilm abgeschieden ist,
5 ein Graph, der den Einfluss des Teilchendurchmessers eines p-Typ-Halbleiteroxids auf das Korrosionspotenzial zeigt,
6 ein Graph, der den Einfluss der Dicke eines p-Typ-Halbleiteroxids auf das Korrosionspotenzial zeigt,
zeigt 7A die Beziehung zwischen der Dicke eines Oxidfilms auf einem Edelstahl und der Menge an abgeschiedenem Titanoxid, und 7B die Beziehung zwischen der Dicke eines Oxidfilms auf der Legierung 600 und der Menge an abgeschiedenem Titanoxid,
8A die Beziehung zwischen der Dicke eines Oxidfilms auf einem Edelstahl und der Menge an abgeschiedenem Titanoxid, und 8B die Beziehung zwischen der Dicke eines Oxidfilms auf der Legierung 600 und der Menge an abgeschiedenem Titanoxid zur Verlängerung der Lebensdauer der Anlage,
ist 9 ein Graph, der die Beziehung zwischen der Menge an abgeschiedenem Titanoxid und dem Korrosionspotenzial zeigt,
10 ein Graph, der das Potenzial-pH-Diagramm für das Fe-H₂O-System zeigt,
11 ein Graph, der den Effekt der Senkung des Korrosionspotenzials zeigt, die sich aus der Kombination eines Fe₃O₄-Oxidfilms und der katalytischen TiO₂-Substanz (mittels Spritzen abgeschieden) ergibt,
12 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur Spritzabscheidung,
13 ein schematisches Diagramm, das ein System zum Injizieren von Atomen, die einen p-Typ-Halbleiter bilden, und ein Wasserstoffinjektionssystem zeigt,
14 ein Graph, der den Effekt der Verminderung des Korrosionspotenzials durch die Kombination von ZnCr₂O₄ und TiO₂ (flammengespritzt) zeigt,
15 ein Graph, der den Effekt der Verminderung des Korrosionspotenzials durch die Kombination von Fe₃O₄ und TiO₂ (Wasserchemieabscheidung) zeigt,
16 ein schematisches Diagramm, das eine Wasserchemie-Abscheidungsvorrichtung zeigt,
17 ein Graph, der die Beziehung zwischen der Menge an abgeschiedenem Titanoxid (katalytische Substanz) und der Abscheidungszeit zeigt und die Wechselzeit während der Wasserchemieabscheidung angibt,
18 ein schematisches Diagramm, welches das System zur Korrosionspotenzialmessung zeigt,
19 ein Graph, der die Änderung des Korrosionspotenzials im Zeitverlauf bei einer Wasserchemie eines Umwälzwassers, die einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm entspricht, zeigt,
20 ein Graph, der die Änderung des Korrosionspotenzials im Zeitverlauf bei einer Wasserchemie eines Umwälzwassers, die einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,1 ppm entspricht, zeigt,
21 ein Graph, der das Verfahren des Reduzierens und Aufrechterhaltens eines Oxidfilms durch Reduktion zeigt, um ein niedriges Korrosionspotenzial aufrechtzuerhalten, und
22 ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Korrosionspotenzial und der Risswachstumsgeschwindigkeit zeigt.
Die bevorzugten Ausführungsformen des Kernkraftwerks, des Verfahrens zum Bilden einer korrosionsbeständigen Beschichtung für das Kernkraftwerk und des Verfahrens zum Betrieb des Kernkraftwerks gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es sollte beachtet werden, dass die Begriffe „obere(s)”, „untere(s)”, „rechts”, „links” und entsprechende Begriffe hier unter Bezugnahme auf die Veranschaulichungen in den Zeichnungen oder auf den tatsächlichen Installationszustand eines Reaktorkraftwerks verwendet werden.
Die 1 ist ein schematisches Diagramm, das einen Siedewasserreaktor (nachstehend als BWR bezeichnet) 11 und ein Reaktorwasser-Reinigungssystem 12 eines Kernkraftwerks 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Der BWR 11 umfasst einen Reaktordruckbehälter 13 und eine zylindrische Abschirmung 14 innerhalb des Reaktordruckbehälters 13. Ein Reaktorkern 15 ist innerhalb der zylindrischen Abschirmung 14 angeordnet. Ein unterer Raum 16 ist unterhalb des Reaktorkerns 15 angeordnet und das Reaktorwasser innerhalb des Reaktordruckbehälters 13 wird durch eine Mehrzahl von Strahlpumpen 17, z. B. zehn Strahlpumpen 17, in den unteren Raum 16 eingeführt.
Die Strahlpumpen 17 werden als Folge des Betriebs von Umwälzpumpen 19 eines Paars von Reaktorumwälzsystemen 18 betrieben. Jede Umwälzpumpe 19 ist für ein Umwälzrohr 20 zum Umwälzen des Reaktorwassers innerhalb des Reaktordruckbehälters 13 bereitgestellt. Die Ausstoßseite (Auspumpseite) des Umwälzrohrs 20 ist gegenüber der Einlassseite der Strahlpumpe 17 angeordnet.
In jedem Reaktorumwälzsystem 18 wird die Umwälzpumpe 19 angetrieben, um Umwälzwasser von der Ausstoßseite des Umwälzrohrs 20 auszutragen, und der Fluss des ausgetragenen Umwälzwassers vereinigt sich mit dem Reaktorwasser um die Strahlpumpe 17, wodurch das Reaktorwasser in den unteren Raum 16 geführt wird.
Der Fluss des Reaktorwassers wird in dem unteren Raum 16 umgekehrt und durch die Kernreaktion erhitzt, wenn er über den Reaktorkern 15 strömt, wodurch ein Dampf-Flüssigkeit-Zweiphasenfluss gebildet wird. Der Dampf-Flüssigkeit-Zweiphasenfluss wird durch einen Dampfabscheider, der nicht gezeigt ist, oberhalb des Reaktorkerns 15 in eine Dampfkomponente und eine Flüssigkeitskomponente getrennt. Die Flüssigkeitskomponente wird in das Reaktorwasser zurückgeführt und tritt wieder in einen Fallrohrabschnitt 21 des Reaktordruckbehälters 13 ein.
Die Dampfkomponente wird in einem Dampftrockner (nicht gezeigt) getrocknet und der resultierende trockene Dampf (Hauptdampf) wird einem Hauptdampfsystem 25 zugeführt. Der dem Hauptdampfsystem 25 zugeführte Hauptdampf wird dann über ein Hauptdampfrohr 26 in eine Dampfturbine 27 eingeführt, um einen Generator 28 anzutreiben.
Der expandierte Dampf, der zum Antreiben der Dampfturbine 27 verwendet worden ist, wird zu einem Kühler 29 geführt, wo der Dampf gekühlt und kondensiert wird, so dass ein Dampfkondensat erhalten wird. Das Kondensat tritt durch ein Kondensatwasserzuführungssystem 30 hindurch und strömt über ein Wasserzuführungsrohr 31, das als Wasserzuführungsleitung dient, in den Reaktordruckbehälter 13 zurück, so dass es sich mit dem Reaktorwasser innerhalb des Reaktordruckbehälters 13 vereinigt. Eine Wasserzuführungspumpe 32 und eine mehrstufige Wasserzuführungsheizeinrichtung (nicht gezeigt) sind für das Wasserzuführungsrohr 31 bereitgestellt.
Das Wasser, das dem Reaktordruckbehälter 13 über das Kondensatwasserzuführungssystem 30 zugeführt worden ist, zirkuliert durch den Betrieb der Umwälzpumpen 19 partiell in den Umwälzrohren 20 des Reaktorumwälzsystems 18.
Ein Teil des Umwälzwassers in dem Umwälzrohr 20 wird in einem Restwärmeentfernungssystem (RHR-System) 35 mit einer RHR-Systempumpe 36 oder in einem Reaktorwasserreinigungssystem (CUW- oder RWCU-System) 40 mit einer CUW-Systempumpe 41 umgewälzt.
Die RHR-Systempumpe 36 weist ein RHR-Rohr 37 auf, das von dem Umwälzrohr 20 des Reaktorumwälzsystems 18 abzweigt. Das RHR-Rohr 37 weist die RHR-Systempumpe 36 und einen Wärmetauscher 38 auf. Das stromabwärts liegende Ende des RHR-Rohrs 37 ist derart mit dem Reaktordruckbehälter 13 verbunden, dass ein Teil des Umwälzwassers umgewälzt und zu dem Reaktordruckbehälter 13 zurückgeführt werden kann.
Die Rohrkonfiguration des RHR-Systems 35 ist so gestaltet, dass sie zu dem typischsten Betriebsmodus zur Entfernung von Nachzerfallswärme nach dem Abschalten des Reaktors passt. Das Umwälzwasser, das in dem RHR-System 35 gekühlt worden ist, wird von dem oberen Ab schnitt oder der Oberseite des Reaktordruckbehälters 13 versprüht, um die Kopfeinheit des Reaktordruckbehälters 13 zu kühlen.
Die Rohranordnung des RHR-Systems 35 ist so gestaltet, dass es in fünf Modi betrieben wird, nämlich einem Reaktorabschaltungskühlmodus, einem Niederdruck-Wasserinjektionsmodus, einem Reaktorbehälterkühlmodus, einem Druckabsenkungsbecken-Wasserkühlmodus und einem Brennelementbecken-Kühlmodus.
Das Reaktorwasserreinigungssystem (CUW-System) 40 weist ein CUW-Systemrohr 42 auf, das von dem Umwälzrohr 20 des Reaktorumwälzsystems 18 abzweigt. Das CUW-Systemrohr 42 weist einen Wärmetauscher 43, die CUW-Systempumpe 41 und eine Filterentmineralisierungseinrichtung 44 auf und ist mit dem Wasserzuführungsrohr 31 des Kondensatwasserzuführungssystems 30 verbunden.
Das CUW-System 40, das RHR-System 35, ein Reaktorhilfskühlsystem (nicht gezeigt), ein Hochdruck-Reaktorkernsprühsystem (nicht gezeigt) und ein Brennelementbeckenkühl- und -reinigungssystem (nicht gezeigt) bilden das Kühlwasserkreislaufsystem 12.
Der Reaktordruckbehälter (RPV) 13, die Reaktorumwälzsysteme 18, das Hauptdampfsystem 25 und das Kondensatwasserzuführungssystem 30 bilden ein Reaktor-Primärkühlsystem 45.
Das Kernkraftwerk 10 weist das Reaktor-Primärkühlsystem 45 und das Kühlwasserkreislaufsystem 12 auf, in denen jeweils ein austenitischer Edelstahl, wie z. B. SUS304 (18Cr-8Ni-0,06C), SUS304L, der 0,03% oder weniger C enthält, SUS316 (18Cr-12Ni-2,5Mo) mit verbesserter Korrosions- und Säurebeständigkeit, oder SUS316L, der Mo enthält und der eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitbarkeit, Formbarkeit und Schweißbarkeit aufweist, verbreitet verwendet wird.
Das Kernkraftwerk 10 weist auch Injektionspunkte P zum Verbinden mit einem Wasserstoffinjektionssystem 46 auf. Das Wasserstoffinjektionssystem 46 ist bereitgestellt, um korrosionsbeständige Oxidfilme mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters auf Oberflächen von Reaktorstrukturmetallkomponenten, wie z. B. Rohren, verschiedenen Vorrichtungen, und von Strukturmaterialien innerhalb des Reaktors zu bilden.
Das Wasserstoffinjektionssystem 46 kann mit einem oder mehreren Injektionspunkt(en) P verbunden werden, die sich in dem Wasserzuführungsrohr 31 des Kondensatwasserzuführungssystems 30, dem Umwälzrohr 20 des Reaktorumwälzsystems 18, dem RHR-Rohr 37, dem RHR-System 35, dem CUW-Systemrohr 42 des CUW-Systems 40 und dergleichen befindet bzw. befinden. Die Menge des injizierten Wasserstoffs kann von diesen Injektionspunkten P gesteuert werden. Die Wasserchemie in dem Reaktor kann durch Einstellen des injizierten Wasserstoffs gesteuert werden. Durch Steuern der Wasserchemie innerhalb des Reaktors, wie es vorstehend beschrieben worden ist, können Oxidfilme mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters auf den Oberflächen (Innen- und Außenoberflächen) der Reaktorstrukturmetallkomponenten, wie z. B. verschiedenen Rohren, Vorrichtungen, und der internen Strukturmaterialien gebildet werden. Diese Oxidfilme sind korrosionsbeständig.
Gemäß der 1 ist der Reaktor auch mit einem Korrosionspotenzialanalysegerät 47 ausgestattet, das einen Prüfkörper zur Überwachung des Korrosionspotenzials und Absperrventile 48 umfasst. Das Korrosionspotenzialanalysegerät 47 ist an dem Umwälzrohr 20 des Reaktorumwälzsystems 18 installiert.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung spezifischer beschrieben.
Erste Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 beschrieben.
In der ersten Ausführungsform wird ein austenitischer Edelstahl, der in den Reaktorstrukturmaterialien des Reaktor-Primärkühlsystems 45 und dem Kühlwasserkreislaufsystem 12 des Kernkraftwerks 10 verwendet wird, mit korrosionsbeständigen Oxidfilmen ausgestattet.
Die 2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Oberfläche einer Metallkomponente zeigt, die eine korrosionsbeständige Beschichtung auf der Oberfläche von SUS316L-Edelstahl aufweist, wobei es sich um ein Beispiel des austenitischen Edelstahls handelt.
In dieser Ausführungsform wird ein korrosionsbeständiger Korrosionsschutzoxidfilm (Film) 51, der aus einem Oxid, wie z. B. Fe₃O₄, zusammengesetzt ist, das die Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters aufweist, auf einem Metallbasismaterial 50 ausgebildet, das aus SUS316L-Edelstahl zusammengesetzt ist, und Titanoxid, das als katalytische Substanz 52 mit den Eigenschaften eines n-Typ-Halbleiters dient, wird auf dem Oxidfilm 51 abgeschieden.
Die katalytische Substanz 52 kann durch die Bildung einer Schicht auf dem Oxidfilm 51 abgeschieden werden. Die Form der katalytischen Substanz 52 ist nicht auf die Schichtform beschränkt. Die katalytische Substanz 52 kann in einer Matrixform verstreut sein oder in Form von Linien abgeschieden werden. Das Metallbasismaterial 50 ist Wasser mit einer hohen Temperatur von 150°C oder höher, insbesondere Reaktorwasser von etwa 280°C ausgesetzt.
Obwohl die 2 ein Beispiel zeigt, bei dem SUS316L-Edelstahl als austenitischer Edelstahl für das Metallbasismaterial 50 verwendet wird, kann das Metallbasismaterial 50 aus einer Edelstahllegierung, Eisen, Stahl, einem von Stahl verschiedenen Material oder einem Nichteisenmetall hergestellt sein. Obwohl der Oxidfilm für das Metallbasismaterial 50, der vorstehend beschrieben ist, aus Fe₃O₄ zusammengesetzt ist, kann der Oxidfilm stattdessen aus einem Oxid wie z. B. FeO, NiO, PdO, UO₂, WO₂, Cr₂O₃, NiCr₂O₄, ZnCr₂O₄, CoCr₂O₄, FeCr₂O₄, MnO, Mn₂O₃, Mn₃O₄, Co₃O₄, CoO, Cu₂O, Ag₂O, CoAl₂O₄, MgCr₂O₄, NiAl₂O₄ oder PbO oder aus mindestens einem davon ausgebildet sein, wobei das Oxid einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger aufweist. Der Oxidfilm 51 mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters sollte auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 ausgebildet sein, das dem Wasser mit hoher Temperatur ausgesetzt ist. In einem Kernkraftwerk beträgt die Dicke des Oxidfilms 51 in der Praxis z. B. vorzugsweise 0,01 μm bis 5 μm.
Titanoxid (TiO₂), das die Eigenschaften eines n-Typ-Halbleiters hat und als katalytische Substanz 52 dient, wird auf dem Oxidfilm 51, der die Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters aufweist, abgeschieden. Anstelle des Titanoxids (TiO₂) kann als katalytische Substanz 52, die als n-Typ-Halbleiter dient, BaTiO₃, Bi₂O₃, ZnO, WO₃, SrTiO₃, Fe₂O₃, FeTiO₃, KTaO₃, MnTiO₃, SnO₂, ZrO₂, CeO₂, In₂O₃, Al₂O₃, MgO, MgFe₂O₄, NiFe₂O₄, MnO₂, MoO₃, Nb₂O₅, SnO₂, SiO₂, PbO₂, V₂O₅, ZnFe₂O₄, ZnAl₂O₄, ZnCo₂O₄ oder Ta₂O₅ oder mindestens eines davon verwendet werden.
Ein pn-Übergang wird an der Übergangsfläche zwischen dem p-Typ-Halbleiter und dem n-Typ-Halbleiter gemäß der 3 durch Abscheiden des Oxidfilms 51, der aus einem Oxid mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters zusammengesetzt ist, auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50, und durch Abscheiden der katalytischen Substanz 52 mit den Eigenschaften eines n-Typ-Halbleiters auf dem Oxidfilm 51 gebildet. Die Änderung des Energieniveaus führt dazu, dass ein Band 55 eine Bandlücke G enthält.
Da das Band 55 eine Lücke enthält, wandern ein Elektron 56 und ein Loch 57, die durch eine thermische Anregung E erzeugt worden sind, jeweils zu einem Leitungsband 58 des n-Typ-Halbleiters und einem Valenzband 59 des p-Typ-Halbleiters. Die Wanderung des Elektrons 56 und des Lochs 57 kann die Rekombination des Elektrons 56 und des Lochs 57 unterdrücken und ermöglicht das Fortschreiten einer Ladungstrennung. Das Elektron 56 und das Loch 57 tragen zu der Oxidations-Reduktionsreaktion in Wasser mit hoher Temperatur bei und ändern dadurch das Korrosionspotenzial.
Die 4 ist ein Graph, der die Abhängigkeit des Korrosionspotenzials von der Wasserchemie von Wasser mit hoher Temperatur, wie z. B. 280°C, zeigt. In dem Graphen sind das Korrosionspotenzial in einem Fall, bei dem der Oxidfilm 51, der aus Fe₃O₄ zusammengesetzt ist, bei dem es sich um einen p-Typ-Halbleiter handelt, auf der Oberfläche des austenitischen Edelstahls 316L (Metallbasismaterial 50) angeordnet ist, und 10 μg/cm² oder mehr, insbesondere etwa 50 μg/cm² der katalytischen Substanz, die Titanoxid (TiO₂) und ein n-Typ-Halbleiter ist, auf dem Oxidfilm 51 abgeschieden sind, aufgetragen (durchgezogene Linie A), und das Korrosionspotenzial in einem Fall, bei dem kein Titanoxid abgeschieden ist (gestrichelte Linie B), aufgetragen.
In dem Fall des BWR 11 übersteigt das Korrosionspotenzial aufgrund der Gegenwart des Titan-Oxids –0,1 V (SHE (Normalwasserstoffelektrode)) nicht und beträgt etwa –0,5 V, wenn das Kreislaufwasser in dem Umwälzrohr 20 des Reaktorumwälzsystems 18 eine Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm aufweist.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, verursacht die Bildung des pn-Übergangs in dem Oxidfilm 51 eine Ladungstrennung, vermindert das Korrosionspotenzial und unterdrückt die Korrosion des Metallbasismaterials 50. Je niedriger das Korrosionspotenzial ist, desto größer ist die Korrosionsbeständigkeit, die durch den Oxidfilm 51 erreicht wird.
Zweite Ausführungsform
Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben.
In dieser zweiten Ausführungsform werden die Strukturen, die mit denjenigen der ersten Ausführungsform identisch sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und diese Strukturen werden nicht erläutert, und es werden Effekte erreicht, die mit denjenigen der ersten Ausführungsform identisch sind, und diese Effekte werden nicht beschrieben, um eine Wiederholung zu vermeiden.
Die 5 ist ein Graph, der den Einfluss des Teilchendurchmessers des Oxids, das die Eigenschaften des p-Typ-Halbleiters aufweist und der auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 abgeschieden ist, auf das Korrosionspotenzial V zeigt. Der Graph zeigt die Ergebnisse eines Falls, bei dem ein Fe₃O₄-Oxidfilm 51 auf der Metallkomponente ausgebildet ist, die aus austenitischem Edelstahl SUS316L hergestellt ist, und eines Falls, bei dem ein NiO-Oxidfilm 51 auf dem Metallbasismaterial 50 ausgebildet ist, das aus einer Edelstahllegierung, d. h. einer korrosionsbeständigen Legierung auf Ni-Basis, der Legierung 600 (Inconel 600), hergestellt ist. Eine durchgezogene Linie C zeigt die Korrosionspotenzialkurve des Falls, bei dem ein Fe₃O₄-Oxidfilm 51 auf dem austenitischen Edelstahl SUS316L ausgebildet ist, und eine gestrichelte Linie D zeigt die Korrosionspotenzialkurve des Falls, bei dem der NiO-Oxidfilm 51 auf der Oberfläche der Ni-Cr-Fe-Legierung, d. h. der Legierung 600, ausgebildet ist.
Die katalytische Substanz 52, die auf dem Oxidfilm 51 abgeschieden ist, ist Titanoxid, und die Menge des Titanoxids beträgt in beiden Fällen 50 μg/cm². Das Korrosionspotenzial V wird unter den Wasserchemiebedingungen des Umwälzwassers des Reaktorumwälzsystems 18, das eine Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm aufweist, gemessen.
Wie es aus den Ergebnissen des Tests gemäß der 5 ersichtlich ist, zeigt das Korrosionspotenzial V eine Tendenz dahingehend, abzunehmen, wenn der Teilchendurchmesser des Oxids mit den Eigenschaften des p-Typ-Halbleiters abnimmt. Wenn der Teilchendurchmesser des Oxids (Fe₃O₄ oder NiO) abnimmt, nimmt der Bereich des pn-Übergangs, der zwischen dem Oxid und Titanoxid ausgebildet ist, bei dem es sich um den n-Typ-Halbleiter handelt, zu. Vermutlich ist dies für die Ladungstrennung vorteilhaft und vermindert folglich das Korrosionspotenzial. Die Ergebnisse zeigen, dass, da das Korrosionspotenzial für SUS316L –0,05 V (SHE) oder weniger betragen muss, und für die Legierung 600 0,0 V (SHE) oder weniger betragen muss, der Teilchendurchmesser des Oxids 1 μm oder weniger betragen muss. Erfindungsgemäß beträgt der durchschnittliche Teilchendurchmesser des Oxids deshalb 1 μm oder weniger.
Die 6 ist ein Graph, der den Einfluss der Dicke des Oxidfilms 51, der die Eigenschaften des p-Typ-Halbleiters aufweist, auf das Korrosionspotenzial V (SHE) zeigt. Der Graph zeigt die Ergebnisse eines Falls, bei dem ein Fe₃O₄-Oxidfilm 51 auf der Metallkomponente ausgebildet ist, die aus austenitischem Edelstahl SUS316L hergestellt ist, und eines Falls, bei dem ein NiO-Oxidfilm 51 auf dem Metallbasismaterial 50 ausgebildet ist, das aus einer Edelstahllegierung, d. h. einer korrosionsbeständigen Legierung auf Ni-Basis, der Legierung 600 (Inconel 600), hergestellt ist. Eine durchgezogene Linie C₁ ist eine Korrosionspotenzialkurve des Falls, bei dem der Fe₃O₄-Oxidfilm 51 auf dem austenitischen Edelstahl SUS316L ausgebildet ist, und eine gestrichelte Linie D₁ zeigt die Korrosionspotenzialkurve des Falls, bei dem der NiO-Oxidfilm 51 auf der Oberfläche der Edelstahllegierung auf Ni-Basis, d. h. der Legierung 600, ausgebildet ist.
Die Korrosionspotenzialkurve C₁ für SUS316L zeigt, dass das Korrosionspotenzial –0,05 V (SHE) nicht übersteigt, wenn der Oxidfilm 51 eine Dicke von 0,001 bis 1 μm aufweist. Die Korrosionspotenzialkurve D₁ für die Edelstahllegierung auf Ni-Basis, d. h. die Legierung 600, zeigt, dass das Korrosionspotenzial mit einem Oxidfilm 51 mit einer Dicke von 0,001 μm bis 1 μm bei 0,0 V oder weniger gehalten wird. Die Kurven C₁ und D₁ zeigen, dass das Korrosionspotenzial durch den Oxidfilm 51 mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters und einer Dicke von 0,001 bis 1 μm bei einem negativen Wert gehalten wird, und dass die Wechselwirkung zwischen dem Oxid, d. h. Titanoxid, und dem p-Typ-Halbleiter das Korrosionspotenzial senkt.
In einem Kernkraftwerk 10 wird in der Praxis ein Oxidfilm mit einer Dicke von 0,01 bis 0,05 μm abgeschieden. Folglich kann die Korrosionsbeständigkeit des Oxidfilms auch in einer realen Anlage erwartet werden.
Die Teilchen des Fe₃O₄-Oxidfilms 51 sind klein und deren Durchmesser wird bei etwa 0,01 μm bis etwa 0,1 μm aufrechterhalten. Es ist nicht wahrscheinlich, dass die Dicke des Oxidfilms 51 auf weniger als 0,01 μm abnimmt, und zwar selbst dann nicht, wenn der dünne Film der Oxidteilchen als Einzelschicht ausgebildet ist. Folglich wird der Oxidfilm 51 eine Dicke von mindes tens 0,01 μm aufweisen. In einer realen Anlage liegt der wesentliche Anwendungsbereich der Dicke des Oxidfilms 51 bei etwa 0,01 μm bis etwa 5 μm.
Die Laufzeit des Kernkraftwerks 10 wird von der Lebensdauer der Metallkomponenten (Metallmaterialien) bestimmt, die in Reaktorstrukturkomponenten verwendet werden, wie z. B. in verschiedenen Vorrichtungen und Rohren des Reaktor-Primärkühlsystems 45 und des Kühlwasser-Kreislaufsystems 12.
Das Korrosionspotenzial wird gemäß der Laufzeit des Kernkraftwerks 10 durch Einstellen des Oxidfilms 51, der auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 abgeschieden wird, eingestellt. Wenn ein Kernkraftwerk 10 eine typische Laufzeit aufweist, wird das Korrosionspotenzial der Metallkomponenten, wie von verschiedenen Vorrichtungen und Rohren des Reaktor-Primärkühlsystems 45 und des Kühlwasser-Kreislaufsystems 12, innerhalb der Bereiche F und H, die in den 7A bzw. 7B gezeigt sind, aufrechterhalten. Wenn eine längere Laufzeit des Kernkraftwerks 10 erforderlich ist, wird das Korrosionspotenzial der Metallkomponenten der Reaktorstrukturmaterialien innerhalb der Bereiche F₁ und H₁ eingestellt, die in den 8A bzw. 8B gezeigt sind.
Die 7A bzw. die 8A zeigen Kurven L und L₁, die jeweils die Beziehung zwischen der Dicke des Oxidfilms 51, der die Eigenschaften des p-Typ-Halbleiters aufweist, und der Menge der abgeschiedenen katalytischen Substanz 52, d. h. Titanoxid (TiO₂) zeigen, wenn ein austenitischer Edelstahl SUS316L als Metallbasismaterial verwendet wird. Die durchgezogene Linie L in der 7A ist eine Korrosionspotenzialkurve, die ein Korrosionspotenzial von –0,05 V (SHE) ergibt, und die durchgezogene Linie L₁ in der 8A ist eine Korrosionspotenzialkurve, die ein Korrosionspotenzial von –0,01 V (SHE) ergibt. Wenn das Metallbasismaterial 50 aus Edelstahl, wie z. B. SUS316L, zusammengesetzt ist, wird die Verwendung in einem Bereich G für eine normale Laufzeit und einem Bereich G₁ für eine verlängerte Laufzeit vermieden.
Die 7B bzw. die 8B zeigen Kurven M und M₁, die jeweils die Beziehung zwischen der Dicke des Oxidfilms 51, der aus einem Oxid mit den Eigenschaften eines p-typ-Halbleiters zusammengesetzt ist, und der Menge der abgeschiedenen katalytischen Substanz 52, d. h. Titanoxid (TiO₂) zeigen, wenn eine Edelstahllegierung auf Ni-Basis, d. h. die Legierung 600, in dem Metallbasismaterial 50 verwendet wird. Im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse werden durch die Verwendung von Nickeloxid (NiO) anstelle von Titanoxid (TiO₂) erzielt. Die Legierung 600 ist eine korrosionsbeständige Legierung auf Ni-Basis, die 0,05C-16Cr-8Fe als Hauptkomponente aufweist.
Die durchgezogene Linie M in der 7B ist eine Korrosionspotenzialkurve, die ein Korrosionspotenzial von 0,0 V (SHE) ergibt, und die durchgezogene Linie M₁ in der 8B ist eine Korrosionspotenzialkurve, die ein Korrosionspotenzial von –0,05 V (SHE) ergibt. Wenn das Metallba sismaterial 50 aus einer Edelstahllegierung auf Ni-Basis, d. h. der Legierung 600 (Inconel 600), zusammengesetzt ist, wird die Verwendung in einem Bereich I für eine normale Laufzeit und in einem Bereich I₁ für eine verlängerte Laufzeit vermieden.
Dritte Ausführungsform
Die 9 ist ein Graph, der sich auf eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht.
Bei der Beschreibung der dritten Ausführungsform werden die Strukturen, die mit denjenigen der ersten Ausführungsform identisch sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um eine wiederholte Erläuterung zu vermeiden, und es werden Effekte erreicht, die mit denjenigen der ersten Ausführungsform identisch sind, jedoch werden diese Effekte nicht beschrieben, um eine Wiederholung zu vermeiden.
Der Graph in der 9 zeigt die Korrosionspotenzialeigenschaften, die bei einem Prüfkörper, bei dem das Metallbasismaterial 50, das aus SUS316L zusammengesetzt ist, mit einem Fe₃O₄-Oxidfilm 51 mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters und einer Dicke von 0,05 μm beschichtet ist, und bei einem Prüfkörper festgestellt wurden, bei dem das Metallbasismaterial 50, das aus einer Edelstahllegierung auf Ni-Basis, d. h. der Legierung 600, zusammengesetzt ist, mit einem Ni-Oxidfilm 51 mit einer Dicke von 0,05 μm beschichtet ist, wobei die Menge des Titanoxids, das als katalytische Substanz 52 dient und auf dem Oxidfilm 51 abgeschieden ist, variiert wird.
Der Graph zeigt, dass bei zunehmender Menge des Titanoxids, das auf dem Oxidfilm 51 abgeschieden worden ist, das Korrosionspotenzial des Metallbasismaterials 50 abnimmt. Die durchgezogene Linie N ist eine charakteristische Kurve, welche die Beziehung zwischen dem Korrosionspotenzial des Metallbasismaterials 50, das aus SUS316L zusammengesetzt ist, und der Menge an abgeschiedenem Titanoxid zeigt. Die gestrichelte Linie O ist eine charakteristische Kurve, welche die Beziehung zwischen dem Korrosionspotenzial des Metallbasismaterials 50, das aus der Legierung 600 zusammengesetzt ist, und der Menge an abgeschiedenem Titanoxid zeigt.
Die Kurven N und O zeigen, dass dann, wenn 10 μg/cm² Titanoxid, das als katalytische Substanz 52 dient, abgeschieden werden, das Korrosionspotenzial des Metallbasismaterials 50, das aus SUS316L zusammengesetzt ist, unter –0,05 V (SHE) liegt, und dass das Korrosionspotenzial des Metallbasismaterials 50, das aus der Legierung 600 zusammengesetzt ist, unter 0,0 V (SHE) liegt, und zwar aufgrund der Wechselwirkung mit dem p-Typ-Halbleiter. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Spannungsrisskorrosion durch Abscheiden des Titanoxids, das als katalytische Substanz 52 dient, in einer Menge von 10 μg/cm² oder mehr ausreichend unterdrückt werden kann.
Vierte Ausführungsform
Nachstehend wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 10 bis 17 beschrieben.
Die vierte Ausführungsform ist ein Verfahren zur Bildung einer korrosionsbeständigen Beschichtung, das einen Schritt der Oxidfilmbildung des Bildens eines Oxidfilms 51 mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50, bei dem es sich um eine Strukturkomponente des Kernkraftwerks 10, das in der 1 gezeigt ist, handelt, und einen Schritt der Abscheidung einer katalytischen Substanz, bei dem die katalytische Substanz 52 auf dem Oxidfilm 51 abgeschieden wird, umfasst.
Es werden Verfahren bereitgestellt, mit denen eine korrosionsbeständige Beschichtung mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 gebildet werden kann, wobei die Verfahren ein Verfahren zum Bilden der Beschichtung im Vorhinein vor der Verarbeitung des Metallbasismaterials 50 und der Auslieferung des Metallbasismaterials 50 als Reaktorstrukturmaterial, ein Verfahren zum Bilden der Beschichtung während eines Testbetriebs nach der Installation der Strukturmaterialien in dem Kernkraftwerk 10, und ein Verfahren zum Bilden der Beschichtung während des Betriebs des Kernkraftwerks 10 durch Steuern der Wasserchemie umfassen. Es kann ein Verfahren zum Bilden des Oxidfilms auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 gemäß jedwedem zeitlichen Ablauf eingesetzt werden.
Es ist bekannt, dass der auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 gebildete Oxidfilm in einer wässrigen Umgebung einer signifikanten Veränderung unterliegt. In dieser Ausführungsform sind ein Verfahren zum Bilden eines Oxidfilms, das die Wasserchemie berücksichtigt, die in dem BWR 11 gesteuert werden kann, und eine Anlage im Hinblick auf die Verhinderung einer Korrosion von peripheren Strukturkomponenten, wie z. B. solchen innerhalb des BWR 11 und des Umwälzrohrs 20, beschrieben.
Erstes Verfahren zur Bildung des Oxidfilms
Ein erstes Verfahren zur Bildung des Oxidfilms umfasst einen Oxidfilmbildungsschritt des Bildens des Oxidfilms 51 mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters direkt aus dem Metallbasismaterial 50. Dieses erste Verfahren wird verwendet, wenn eine neue Metallkomponente in dem Kernkraftwerk 10 installiert wird. Der Oxidfilm 51 wird durch Steuern der wässrigen Umgebungsbedingungen abgeschieden.
Der Oxidfilmbildungsschritt zur Bildung des Oxidfilms 51 auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 in einer realen Anlage wird nachstehend beschrieben.
Um die Reaktorwasserchemie in einer realen Anlage, in der eine Wasserstoffinjektion bereits durchgeführt wird, zu verbessern, werden z. B. gelöster Wasserstoff und gelöster Sauerstoff bei einer Injektionsmenge von 0,4 ppm gesteuert und die Oberflächen des austenitischen Edelstahls SUS316L werden mit Wasser mit einer hohen Temperatur von 280°C oxidiert. Die Konzentration des gelösten Sauerstoffs beträgt etwa 10 ppb und die Konzentration des gelösten Wasserstoffs beträgt 30 ppb oder mehr, d. h. etwa 80 ppb. Die Wasserstoffinjektion wird durch Verbinden des Wasserstoffinjektionssystems 46 mit den Injektionspunkten P des Reaktor-Primärkühlsystems 45 und dem Kühlwasserkreislaufsystem 12 des Kernkraftwerks 10 durchgeführt.
Im Allgemeinen gibt es eine große Anzahl von Verfahren zur Bildung eines Oxidfilms mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters, die in Wasser mit reduzierenden Eigenschaften durchgeführt werden, wobei das Reaktorwasser durch eine Wasserstoffinjektion in einem reduzierenden Zustand gehalten wird. Bezüglich der Wasserchemie in einer realen Anlage beträgt die Wasserstoffkonzentration im Speisewasser während des Betriebs des Kernkraftwerks 10 vorzugsweise 1,0 ppm oder weniger, insbesondere etwa 0,3 ppm, da eine Wasserstoffinjektion in einer hohen Konzentration in nachteiliger Weise die Turbinensystem-Dosisrate während des Betriebs erhöht. In einer reduzierenden Atmosphäre wird das Korrosionspotenzial der Metalloberfläche auf einem niedrigen Niveau aufrechterhalten. Gemäß der 10 verändert sich die pH-Morphologie des Eisen(II)-oxids bei einer Veränderung des Korrosionspotenzials, die durch eine Steuerung der Wasserchemie bewirkt wird, stark.
Durch Steuern der Chemie des Reaktorwassers, wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann ein Oxidfilm mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters gebildet werden. Bezüglich der Temperatur zur Bildung des Oxidfilms ist es möglich, eines von einem Verfahren, bei dem ein Oxidfilm bei Raumtemperatur gebildet wird, das eine längere Zeit erfordert, und einem Verfahren zur Bildung eines Oxidfilms bei einer Temperatur von Reaktorwasser, z. B. etwa 280°C, das den realen Betrieb des Reaktors berücksichtigt, auszuwählen. Der zeitliche Ablauf kann durch Berücksichtigen des Zustands der realen Anlage ausgewählt werden, d. h. abhängig davon, ob die Anlage überprüft wird oder in Betrieb ist.
Die 11 ist ein Graph, der das Korrosionspotenzial zeigt, das bei der Wasserchemie des Umwälzwassers in dem Reaktorumwälzsystem 18 vorliegt, bei dem die Wasserstoffkonzentration im Speisewasser 1,0 ppm oder weniger, insbesondere etwa 0,3 ppm, beträgt. Zur Untersuchung wurde ein Prüfkörper verwendet, bei dem ein Oxid mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters auf der Metalloberfläche von SUS316L gemäß dem ersten Verfahren zur Bildung des Oxidfilms gebildet worden ist. Vor dem Testen des Korrosionspotenzials wurde der Prüfkörper bei der Wasserchemie des Reaktorwassers am Reaktorboden (unterer Raum), d. h. bei einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,4 ppm, 500 Stunden einer hohen Temperatur von 280°C ausgesetzt. Die Oberfläche des resultierenden Prüfkörpers wurde einer Raman-Analyse unterzogen. Es wurde bestätigt, dass es sich bei der Kristallmorphologie um Fe₃O₄ handelte.
Titanoxid wurde in einer Menge von 200 μg/cm² unter Verwendung einer Spritzvorrichtung 60, wie sie z. B. in der 12 gezeigt ist, auf dem Fe₃O₄-Oxidfilm 51 abgeschieden.
Die Spritzvorrichtung 60 weist eine Spritzhaupteinheit 61 auf, die mit einem Lösungstank 62 zum Lagern von Titanoxid, d. h. der katalytischen Substanz, ausgestattet ist. Die Abscheidung einer angemessenen Menge an Titanoxid auf dem Prüfkörper kann durch Drehen eines Einstellknopfs 64 zum Einstellen der Düsenöffnung einer Spritzdüse 63, die an dem vorderen Ende der Spritzhaupteinheit 61 angeordnet ist, Verbinden der Spritzhaupteinheit 61 mit einer Gaszufuhr (Gaszylinder) 67, die Stickstoffgas oder ein Inertgas enthält, über ein Gaszuführungsrohr 66, das mit einem Flusseinstellventil 65 ausgestattet ist, und dann Ziehen eines Spritzschalters 68, der als Steuerhebel wirkt, durchgeführt werden. Titanoxid, bei dem es sich um die katalytische Substanz handelt, wird durch den Fluss des Inertgases oder des Stickstoffgases herausgesaugt und von der Düsenöffnung der Spritzdüse 63 in Richtung des Prüfkörpers gespritzt.
Unter Verwendung dieser Spritzvorrichtung 60 wurde Titanoxid, das als katalytische Substanz diente, auf den SUS316L-Prüfkörper mit dem Fe₃O₄-Oxidfilm 51 gespritzt. Der Prüfkörper, der mit einer erforderlichen Menge an Titanoxid ausgestattet worden ist, wurde einem Korrosionspotenzialtest in Wasser mit einer Umwälzwasserchemie in dem Reaktorumwälzsystem 18 unterzogen, wie es in der 11 gezeigt ist.
Die 11 zeigt, dass bei einer Korrosionspotenzialanalyse des Prüfkörpers ein Temperaturerhöhungsvorgang (Heizvorgang) des Umwälzwassers bis 200 min nach dem Start der Analyse durchgeführt wurde und dass das Korrosionspotenzial bei einer konstanten Umwälzwassertemperatur nach dem Temperaturerhöhungsvorgang gemessen wurde.
Das Umwälzwasser wies eine Konzentration von gelöstem Sauerstoff von etwa 10 ppb, eine Konzentration an gelöstem Wasserstoff von 30 ppb oder mehr, insbesondere 31 ppb, und eine Wasserstoffperoxidkonzentration von 65 ppb auf. Die Betriebsbedingungen, wie z. B. Wasser mit einer hohen Temperatur von 280°C und ein Druck von 8,5 MPa, die bei einer realen Anlage vorliegen, wurden eingehalten. Aus den erhaltenen Ergebnissen der Korrosionspotenzialmessung ist ersichtlich, dass das Korrosionspotenzial des Prüfkörpers, bei dem Titanoxid auf dem Fe₃O₄-Oxidfilm 51 abgeschieden worden ist, bei der Wasserchemie des Umwälzwassers mit einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm auf –0,1 V (SHE) oder weniger, d. h. etwa –0,15 V (SHE), vermindert werden konnte, wodurch die Korrosionsbeständigkeit verbessert wurde. Der Prüfkörper, bei dem kein Titanoxid auf dem Fe₃O₄-Oxidfilm abgeschieden worden ist, zeigte ein Korrosionspotenzial, das mit der Zeit zunahm. Es wird erwartet, dass das Korrosionspotenzial in diesem Fall weiter zunimmt, wenn der Test für eine längere Zeit durchgeführt wird.
Zweites Verfahren zur Bildung des Oxidfilms
Ein zweites Verfahren zur Bildung des Oxidfilms umfasst einen Schritt des Abscheidens von Atomen, die einen p-Typ-Halbleiter bilden, auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 und des Bildenlassens eines Oxids mit den Eigenschaften des p-Typ-Halbleiters durch Steuern der wässrigen Umgebungsbedingungen.
Die 1 zeigt das Kühlwasserkreislaufsystem 12 des Kernkraftwerks 10, bei dem das Wasserstoffinjektionssystem 46 durch die Injektionspunkte P verbunden ist. Bei diesem Verfahren sollte ein Lösungsinjektionssystem 70 (in der 13 gezeigt), das Atome umfasst, die den p-Typ-Halbleiter bilden, mit den Injektionspunkten P (Pa und Pb) verbunden werden, um das Wasserstoffinjektionssystem 46 zu ersetzen.
Das Lösungsinjektionssystem 70, das Atome enthält, die den p-Typ-Halbleiter bilden, weist die in der 13 gezeigte Struktur auf und ist mit den Injektionspunkten P des Kühlwasserkreislaufsystems 12 verbunden. Gemäß der 13 umfasst das Lösungsinjektionssystem 70 einen Wasserstofftank 71, der mit dem Injektionspunkt Pa des Kühlwasserkreislaufsystems 12 über ein Wasserstoffzuführungsrohr 73 verbunden ist, welches mit einem Flusseinstellventil 72 ausgestattet ist. Das Wasserstoffgas innerhalb des Wasserstofftanks 71 wird von dem Injektionspunkt Pa in das Kühlwasserkreislaufsystem 12 injiziert.
Eine Lösung 75, die Atome enthält, welche den p-Typ-Halbleiter bilden, ist in einem Lösungstank 76 gelagert und der Lösungstank 76 ist mit dem Injektionspunkt Pb des Kühlwasserkreislaufsystems 12 über ein Lösungsinjektionsrohr 78, das eine Injektionspumpe 77 aufweist, verbunden.
Bei diesem zweiten Verfahren zur Bildung des Oxidfilms wird die Injektionspumpe 77, die in der 11 gezeigt ist, zum Injizieren von Atomen, die den p-Typ-Halbleiter bilden, in das Kühlwasserkreislaufsystem 12 betrieben. Die Atome bewegen sich innerhalb des Kühlwasserkreislaufsystems 12 mit dem Kühlwasser und werden auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50, das die Reaktorstrukturkomponenten bildet, abgeschieden.
Die Abscheidung der Atome, die den p-Typ-Halbleiter bilden, kann im abgeschalteten Zustand des Reaktors oder im laufenden Betrieb des Reaktors durchgeführt werden. Um aus den abgeschiedenen Atomen ein Oxid mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters zu bilden, wird das Wasserstoffgas, das mit dem Flusseinstellventil 72 gemäß der 11 gesteuert wird, injiziert, um die Chemie des Reaktorwassers zu verändern.
Auf diese Weise können die wässrige Umgebung und das Potenzial gesteuert werden und die Atome, die auf der Metalloberfläche abgeschieden werden, können ein Oxid mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters bilden. Da die abgeschiedenen Atome ein Oxid bilden, wird ein Oxidfilm, der als korrosionsbeständige Beschichtung wirkt, auf den Oberflächen (einschließlich den Innenoberflächen) des Metallbasismaterials 50 gebildet.
Die 14 ist ein Graph, der das Korrosionspotenzial eines Prüfkörpers zeigt, das bei der Wasserchemie des Umwälzwassers mit einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm gemessen worden ist. Der Prüfkörper umfasst ein Oxid mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters, das auf der Oberfläche eines austenitischen Edelstahls SUS316L mit dem zweiten Verfahren zur Bildung des Oxidfilms ausgebildet worden ist.
Bei diesem Korrosionspotenzialtest wird eine Zn-Lösung zur Bildung des Oxidfilms 51 auf der Oberfläche von SUS316L injiziert. Ein Oxid aus ZnCr₂O₄ wird auf der Oberfläche von SUS316L durch Injizieren der Zn-Lösung gebildet. Titanoxid, das als katalytische Substanz dient, wird unter Verwendung eines Plasmaspritzgeräts (in der Zeichnung nicht gezeigt) in einem Schritt zur Abscheidung einer katalytischen Substanz in einer Menge von 70 μg/cm² auf dem Oxidfilm 51 auf SUS316L dieses Prüfkörpers abgeschieden. Durch Abscheiden einer erforderlichen Menge von Titanoxid auf dem ZnCr₂O₄-Oxidfilm 51 kann das Korrosionspotenzial bei der Was serchemie des Umwälzwassers mit einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm auf –0,1 V (SHE) vermindert werden.
Drittes Verfahren zur Bildung eines Oxidfilms
Ein drittes Verfahren zur Bildung eines Oxidfilms umfasst einen Schritt des Änderns der Eigenschaften des bestehenden Oxidfilms 51 auf dem Metallbasismaterial 50 durch Steuern der wässrigen Umgebung und einen Schritt zur Abscheidung einer katalytischen Substanz des Abscheidens einer katalytischen Substanz auf dem Oxidfilm. In einer realen Anlage wird der Betrieb mit verschiedenen Wasserqualitäten oder verschiedenartiger Wasserchemie durchgeführt, wie z. B. solchen, die für einen Betrieb des Reaktors ohne Wasserstoffinjektion oder für einen Betrieb mit ultraniedrigem Eisengehalt erforderlich sind, und zwar abhängig von der Art des Kernkraftwerks 10. Folglich sind die Eigenschaften des Oxidfilms 51, der auf dem Metallbasismaterial 50 gebildet wird, ebenfalls verschieden.
Durch Umwandeln des Oxidfilms 51 des Metallbasismaterials 50 durch die Steuerung der Chemie des Reaktorwassers und des Potenzials wird ein Oxid mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters erzeugt. Alternativ kann das Metallbasismaterial 50 z. B. chemisch dekontaminiert werden, so dass die Oberfläche freigelegt wird, und dann kann ein Oxid mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters durch das erste oder zweite Verfahren zur Bildung des Oxidfilms darauf abgeschieden werden, so dass ein gewünschter Oxidfilm 51 auf der Oberfläche des Metallbasismaterials 50 ausgebildet werden kann.
Die 15 zeigt das Korrosionspotenzial eines Prüfkörpers, das bei der Wasserchemie des Umwälzwassers mit einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm gemessen worden ist. Der Prüfkörper wies ein Oxid mit den Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters auf, das auf der Oberfläche eines austenitischen Edelstahls SUS304L abgeschieden worden ist.
Bei diesem Korrosionspotenzialtest wurde ein Prüfkörper, der einen Fe₂O₃-Oxidfilm aufwies, 100 Stunden in Wasser bei 280°C behandelt, das eine Konzentration von gelöstem Sauerstoff von etwa 10 ppb und eine Konzentration von gelöstem Wasserstoff von 30 ppb oder mehr, insbesondere von etwa 80 ppb, aufwies. Anschließend wurde der Prüfkörper einer Oberflächenanalyse unterworfen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Oxidfilm in einen Oxidfilm umgewandelt worden ist, der vorwiegend aus Fe₃O₄ zusammengesetzt war.
Anschließend wurde in dem Schritt zur Abscheidung der katalytischen Substanz eine erforderliche Menge, z. B. 120 μg/cm², Titanoxid unter Verwendung einer Titanoxid-Wasserchemieab scheidungsvorrichtung 80, wie sie in der 16 gezeigt ist, abgeschieden. Die Wasserchemieabscheidung ist ein Verfahren zum Injizieren einer Titanoxidlösung mit einer bestimmten Konzentration in Wasser mit hoher Temperatur und des Steuerns der Temperatur, der Flussrate, der Titanoxidkonzentration und der Dauer, zur Abscheidung von Titanoxid auf den Metalloberflächen. Dieser Korrosionspotenzialtest wurde bei 200°C, einer Flussrate von 9,6 m/s und einer Titanoxidkonzentration von 10 ppm für 24 Stunden durchgeführt. Die Wasserchemie wurde so gesteuert, dass das Kernbodenwasser eine Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,4 ppm aufwies.
Die Wasserchemie-Abscheidungsvorrichtung 80 ist eine experimentelle Vorrichtung mit der in der 16 gezeigten Struktur. Die Wasserchemie-Abscheidungsvorrichtung 80 weist ein Wasserchemie-Steuerungssystem (Chemie-Steuerungssystem) 82 zum Aufrechterhalten und Steuern der Chemie des Wassers innerhalb eines Wassertanks 81 und ein Steuersystem 83 für die Abscheidung einer katalytischen Substanz zum Steuern der Menge der katalytischen Substanz auf, die auf dem Prüfkörper abgeschieden wird.
Unter Verwendung eines Harzes 86, wie z. B. eines Ionenaustauscherharzes, und eines Hohlfasermembranfilters 87 reinigt das Wasserchemie-Steuerungssystem 82 das Wasser, das von dem Steuersystem 83 die Abscheidung einer katalytischen Substanz über einen Wärmetauscher 84 und einem Kühlturm 85 dem Wassertank 81 zugeführt wird, um dadurch reines Wasser zu erzeugen. Die Eigenschaften des resultierenden Wassers werden mit einem Messgerät für gelösten Wasserstoff 88, einem Messgerät für gelösten Sauerstoff 89 und einem Leitfähigkeitsmessgerät 90 analysiert, um die Eigenschaften des Wassers innerhalb des Wassertanks 81 auf die Zielniveaus einzustellen.
Das Wasser (reines Wasser), dessen Chemie durch das Harz 86 und den Hohlfasermembranfilter 87 gesteuert wird, wird vorübergehend in dem Wassertank 81 gelagert und unter Verwendung einer Hochdruckpumpe 91 über den Wärmetauscher 84 dem Steuersystem 83 für die Abscheidung einer katalytischen Substanz 83 zugeführt.
Das Steuersystem für die Abscheidung einer katalytischen Substanz 83 ist ein geschlossener Kreislauf 95. Ein Beispiel des Injizierens einer Titanoxidlösung (TiO₂-Lösung) als katalytische Substanz in den geschlossenen Kreislauf 95 wird nachstehend beschrieben.
Der geschlossene Kreislauf 95 umfasst einen Prüfkörperabscheidungsabschnitt 96, der den Prüfkörper enthält, eine Kreislaufpumpe 97 zum Steuern der Menge und der Flussrate des im Kreislauf geführten Wassers und einen Wärmeteuscher 98. Diese drei Vorrichtungen sind auf einander folgend in dieser Reihenfolge bereitgestellt. Die Ansaugseite der Kreislaufpumpe 97 kann eine Einspeisung von reinem Wasser von dem Wasserchemie-Steuerungssystem 82 aufnehmen. Die Austragseite der Kreislaufpumpe 97 kann das herausgepumpte Wasser zu dem Wasserchemie-Steuerungssystem 82 austragen.
Die 17 ist ein Graph, der die Änderung der Menge an abgeschiedenem Titanoxid im Zeitverlauf zeigt, wenn Titanoxid, das als katalytische Substanz 52 dient, unter Verwendung der Wasserchemie-Abscheidungsvorrichtung 80 auf dem Oxidfilm 51 des Prüfkörpers abgeschieden wird. Der Graph zeigt, dass die Menge des abgeschiedenen Titanoxids mit zunehmender Flussrate in dem geschlossenen Kreislauf 95 zunimmt. Die Zeit, die zur Abscheidung einer gewünschten Menge an Titanoxid erforderlich ist, kann durch Steuern der Konzentration des injizierten Titanoxids und der Temperatur leicht abgeschätzt werden.
Durch Umwandeln des Prüfkörperabscheidungsabschnitts 96 wird es möglich, die katalytische Substanz, d. h. Titanoxid, auf Oberflächen einer Reaktorstrukturmetallkomponente mit einer anderen Form abzuscheiden. In dem Fall der Installation einer neuen Reaktorstrukturkomponente, wie z. B. bei einem Ersatz des Umwälzrohrs 20, ist es möglich, eine angemessene Menge an Titanoxid, das als katalytische Substanz 52 dient, auf einem bestehenden Oxidfilm 51 abzuscheiden, der die Eigenschaften eines p-Typ-Halbleiters zeigt.
In einer realen Anlage kann die Abscheidung der katalytischen Substanz 52 durch Verbinden einer Titanoxidinjektionsvorrichtung, die nicht gezeigt ist, mit den in der 1 gezeigten Injektionspunkten P durchgeführt werden. Die Abscheidung ist möglich, während der Reaktor abgeschaltet ist, oder während des laufenden Betriebs. Wie es aus dem Graphen der 15 ersichtlich ist, kann Titanoxid, das auf dem Oxidfilm 51 durch eine Wasserchemieabscheidung unter Verwendung der Wasserchemie-Abscheidungsvorrichtung 80 abgeschieden worden ist, das Korrosionspotenzial auf –0,1 V (SHE) oder weniger senken, und ausreichende Korrosionspräventionseffekte können effizient bereitgestellt werden.
Fünfte Ausführungsform
Nachstehend wird ein Verfahren zum Betreiben eines Reaktors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 18 bis 21 beschrieben.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Messung des Korrosionspotenzials der Strukturkomponentenoberfläche des Reaktor-Primärkühlsystems 45 und des Kühlwasserkreislaufsys tems 12 in einer realen Anlage schwierig ist, ist in dieser Ausführungsform, wie es in der 1 gezeigt ist, ein Korrosionspotenzialanalysegerät 47, das einen Korrosionspotenzial-Überwachungsprüfkörper 100 enthält, für das Kernkraftwerk 10 bereitgestellt, so dass das Korrosionspotenzial der Strukturkomponenten in dem Reaktorwasser simuliert und die Sicherheit der Strukturkomponenten überwacht werden kann. Der Korrosionspotenzial-Überwachungsprüfkörper 100 ist Wasser mit hoher Temperatur von dem BWR 11 ausgesetzt.
Gemäß der 18 ist das Korrosionspotenzialanalysegerät 47 eine Einheit, die eine Hauptvorrichtung 101, den Korrosionspotenzial-Überwachungsprüfkörper 100 und eine Bezugselektrode 102, die dem hohen Druck widerstehen kann, umfasst. Der Korrosionspotenzial-Überwachungsprüfkörper 100 und die Bezugselektrode 102 sind über ein Kabel 103 mit einem Elektrometer 104 verbunden. Das Korrosionspotenzial des Korrosionspotenzial Überwachungsprüfkörpers 100, das mit dem Elektrometer 104 gemessen worden ist, wird entweder über ein Datenkabel 106 oder per Funkübertragung in einen Computer, d. h. einen Personalcomputer 105, eingegeben, gespeichert und verarbeitet. Durch Überwachen der verarbeiteten Daten können die Dauerbeständigkeit der Strukturkomponenten und die Eigenschaften des Oxidfilms überwacht werden.
Die Hauptvorrichtung 101 des Korrosionspotenzialanalysegeräts 47, die den Korrosionspotenzial-Überwachungsprüfkörper 100 und die Bezugselektrode 102 aufweist, ist abnehmbar an dem Umwälzrohr 20 des Reaktorumwälzsystems 18 angebracht, wie es in der 1 gezeigt ist. Alternativ kann die Hauptvorrichtung 101 an dem Kühlwasserkreislaufsystem 12 oder dem Reaktor-Primärkühlsystem 45 angebracht sein.
Die 19 bis 21 sind Graphen, welche die Änderung des Korrosionspotenzials einer Strukturkomponente des Kernkraftwerks 10 im Zeitverlauf aufgrund von Veränderungen der Wasserchemie zeigen.
Der Graph in der 19 zeigt das Korrosionspotenzial eines Prüfkörpers, bei dem ein Fe₃O₄-Oxidfilm 51 auf der Oberfläche von SUS316L ausgebildet ist, bei der Wasserchemie, die derjenigen eines Umwälzwassers mit einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm entspricht, und bei dem 70 μg/cm² Titanoxid, das als katalytische Substanz 52 dient, mittels Spritzen auf dem Oxidfilm 51 abgeschieden worden sind. Die ersten 200 min vom Beginn des Korrosionspotenzialtestens wurden zum Einstellen der Wasserchemie und der Messbedingungen bei erhöhter Temperatur verwendet. Bei der Wasserchemie, die derjenigen eines Umwälzwassers mit einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm entsprach, wurde auf grund der Gegenwart von Titanoxid ein niedriges Korrosionspotenzial aufrechterhalten, und das Korrosionspotenzial des Prüfkörpers betrug nicht mehr als –0,1 V (SHE).
Am nächsten Tag wurde die Wasserchemie so eingestellt, dass das Umwälzwasser eine Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,1 ppm aufwies. Die Ergebnisse der Korrosionspotenzialmessung sind in der 20 gezeigt. Bei einer Wasserchemie, die einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,1 ppm entsprach, nahm das Korrosionspotenzial trotz der Abscheidung von Titanoxid auf ein Niveau von 0,0 V (SHE) oder mehr zu. Diese Ergebnisse zeigen, dass bei einer oxidierenden Atmosphäre, die einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,1 ppm entspricht, die Metalloberfläche die Eigenschaften oder Leistungen des p-Typ-Halbleiters nicht aufrechterhalten kann, und dass die pn-Übergangsfläche nicht genutzt werden kann. Mit anderen Worten: Der Effekt der Unterdrückung einer Rekombination eines Elektrons und eines Lochs tritt nicht länger auf und das thermisch angeregte Elektron rekombiniert mit dem Loch.
Zwei Tage danach wurde die Wasserchemie zu derjenigen einer PLR (Primärkreislaufumwälzung) mit einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,7 ppm oder mehr, z. B. 0,7 ppm, geändert, um die Änderung des Korrosionspotenzials zu verfolgen. In der 21 ist das Ziel die Wiederherstellung der p-Typ-Halbleitereigenschaften in dem Oxidfilm in einer reduzierenden Atmosphäre, die einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,7 ppm entspricht, bis zu etwa 450 min. Wie es in dem Graphen gezeigt ist, nahm das Korrosionspotenzial des Prüfkörpers mit darauf abgeschiedenem Titanoxid signifikant auf etwa –0,55 V (SHE) ab.
Wie es in der 10 gezeigt ist, kann davon ausgegangen werden, dass der Oxidfilm 51 aufgrund der Änderung des Korrosionspotenzials von Fe₂O₃ in Fe₃O₄ umgewandelt worden ist. Nach 500 min wurde die Wasserchemie so eingestellt, dass sie einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm entsprach, wodurch die reduzierende Atmosphäre vermindert wurde, und das Korrosionspotenzial wurde in einem stationären Zustand gemessen. Die in der 21 gezeigten Ergebnisse zeigen, dass selbst nach 1000 min ein Korrosionspotenzial nicht über –0,1 V (SHE) aufrechterhalten wird. Dies zeigt, dass selbst dann, wenn der Oxidfilm 51 der oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt wurde und dessen Eigenschaften verändert wurden, die p-Typ-Halbleitereigenschaften in dem Oxidfilm 51 durch Senken des Korrosionspotenzials auf z. B. –0,5 V (SHE) oder weniger in einer reduzierenden Atmosphäre wiederhergestellt werden können, und dass dieser Oxidfilm 51 in einer mäßig reduzierenden Atmosphäre, die einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm entspricht, nach wie vor ein niedriges Potenzial aufrechterhalten kann.
In einer realen Anlage kann durch die Verwendung des Wasserstoffinjektionssystems 46 (vgl. die 1) zur Änderung der Reaktorwasserchemie und durch Überwachen des Korrosionspotenzials, um das Korrosionspotenzial des Materials auf das gewünschte Niveau einzustellen, die korrosionsbeständige Beschichtung aufrechterhalten und wiederhergestellt werden und dadurch die Korrosion der Metalle der Reaktorstrukturkomponenten unterdrückt werden.
Sechste Ausführungsform
Die 22 ist ein Graph zur Erläuterung einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Graph zeigt die Beziehung zwischen dem Korrosionspotenzial der Strukturkomponenten, die in dem Kernkraftwerk 10 verwendet werden, und der Geschwindigkeit, mit der sich Risse entwickeln. Die Rissentwicklungsgeschwindigkeit, die auf der Ordinate angegeben ist, ist logarithmisch aufgetragen. Mit abnehmendem Korrosionspotenzial wird die Rissentwicklungsgeschwindigkeit stark vermindert, was zeigt, dass die Entwicklung der Risse signifikant unterdrückt wird.
Es ist eine bekannte Tatsache, dass das Korrosionspotenzial bei einer normalen Wasserchemie (NWC) eines typischen BWR 11 etwa +100 mV (SHE) beträgt. Die Ergebnisse der Überwachung des Korrosionspotenzials der Reaktorstrukturkomponenten zeigen, dass die Rissentwicklungsgeschwindigkeit durch Aufrechterhalten des Oxidfilms 51 derart, dass das Korrosionspotenzial des austenitischen Edelstahls (SUS304SS) –50 mV (SHE) oder weniger beträgt, um etwa eine Größenordnung gesenkt werden kann. Dies zeigt auch, dass ein ausreichender Korrosionsunterdrückungseffekt bereitgestellt wird. Das Korrosionsunterdrückungspotenzial für die Edelstahllegierung auf Ni-Basis, wie z. B. der Legierung 600, wird ebenfalls auf der Basis des gleichen Konzepts bewertet.
In dem in der 22 gezeigten Graphen stellt „K” einen Spannungsintensitätsfaktor dar, der die Empfindlichkeit von Reaktorstrukturkomponenten bezüglich einer Rissbildung angibt, und „μS/cm” ist ein Wert, der die Reinheit von Wasser, wie z. B. Reaktorwasser, angibt. In einem typischen Reaktor 11 wird während der Überprüfung eine Reinheit von etwa 1 μS/cm gefunden.
Die 22 zeigt, dass die Rissentwicklungsgeschwindigkeit, die bei einem Reaktorwasser mit einer hohen Reinheit von 0,1 μS/cm gefunden wird, signifikant niedriger ist als bei einem Reak torwasser mit einer Reinheit von 0,3 μS/cm, und zwar selbst dann, wenn die Korrosionspotenziale der Reaktorstrukturkomponenten gleich sind.
Obwohl die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Anwendung des Reaktorumwälzsystems auf Siedewasserreaktoren mit Kreislaufpumpen außerhalb des Reaktors betreffen, sollte beachtet werden, dass auch eine Anwendung auf verbesserte Siedewasserreaktoren möglich ist, bei denen Reaktorumwälzpumpen innerhalb der Reaktordruckbehälter vorliegen. Die vorliegende Erfindung kann auch auf Kernkraftwerke angewandt werden, die Druckwasserreaktoren und CANDU-Reaktoren (kanadische Deuterium-Uran-Reaktoren) aufweisen.

Claims

Kernkraftwerk, bei dem die Wasserstoffkonzentration in Wasser in einem Kernreaktor gesteuert ist, ein korrosionsbeständiger Oxidfilm auf einer Oberfläche einer Metallkomponente einer Reaktorstruktur ausgebildet ist, die Wasser mit hoher Temperatur in einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt ist, wobei der korrosionsbeständige Oxidfilm ein Oxid mit der Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters enthält, und eine katalytische Substanz mit einem n-Typ-Halbleiter als thermischen Anregungskatalysator, der durch Wärme angeregt wird, auf dem korrosionsbeständigen Oxidfilm abgeschieden ist, so dass der Oxidfilm die Eigenschaft des p-Typ-Halbleiters in der reduzierenden Atmosphäre, in der die Wasserstoffkonzentration gesteuert ist, beibehält, wobei das Oxid, das den p-Typ-Halbleiter aufweist, einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger aufweist und aus mindestens einem von Fe₃O₄, FeO, NiO, PdO, UO₂, WO₂, Cr₂O₃, NiCr₂O₄, ZnCr₂O₄, CoCr₂O₄, FeCr₂O₄, MnO, Mn₂O₃, Mn₃O₄, Co₃O₄, CoO, Cu₂O, Ag₂O, CoAl₂O₄, MgCr₂O₄, NiAl₂O₄ und PbO zusammengesetzt ist, und die katalytische Substanz mit der Eigenschaft des n-Typ-Halbleiters mindestens eine von TiO₂, BaTiO₃, Bi₂O₃, ZnO, WO₃, SrTiO₃, Fe₂O₃, FeTiO₃, KTaO₃, MnTiO₃, SnO₂, ZrO₂, CeO₂, In₂O₃, Al₂O₃, MgO, MgFe₂O₄, NiFe₂O₄, MnO₂, MoO₃, Nb₂O₅, SnO₂, SiO₂, PbO₂, V₂O₅, ZnFe₂O₄, ZnAl₂O₄, ZnCo₂O₄ und Ta₂O₅ ist.
Kernkraftwerk nach Anspruch 1, bei dem das Wasser mit hoher Temperatur eine Temperatur von 150°C oder höher aufweist.
Kernkraftwerk nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Metallkomponente aus einem Stahl, einem von Stahl verschiedenen Material, einem Nichteisenmetall oder einem Schweißmetall hergestellt ist.
Kernkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Oxidfilm eine Dicke von 0,001 μm oder mehr aufweist.
Kernkraftwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die katalytische Substanz in einer Menge von 10 μg/cm² oder mehr abgeschieden ist.
Verfahren zum Bilden einer korrosionsbeständigen Beschichtung auf einer Oberfläche einer Metallkomponente einer Reaktorstruktur, die Wasser mit hoher Temperatur in einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt ist, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Bildens eines Oxidfilms, bei dem die Wasserstoffkonzentration der Wasserchemie innerhalb eines Reaktors unter Verwendung einer Wasserstoffinjektionsvorrichtung gesteuert wird, so dass ein Oxid mit der Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters in einer reduzierenden Atmosphäre oder durch Umwandeln eines bestehenden Oxidfilms abgeschieden wird, und einen Schritt des Abscheidens einer katalytischen Substanz auf dem Oxidfilm, bei dem eine katalytische Substanz auf dem Oxidfilm abgeschieden wird, wobei die katalytische Substanz die Eigenschaft eines n-Typ-Halbleiters als thermischer Anregungskatalysator, der durch Wärme angeregt wird, aufweist, während die Eigenschaft des p-Typ-Halbleiters in der reduzierenden Atmosphäre, in der die Wasserstoffkonzentration gesteuert ist, beibehalten wird, wobei das Oxid, das den p-Typ-Halbleiter aufweist, einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger aufweist und aus mindestens einem von Fe₃O₄, FeO, NiO, PdO, UO₂, WO₂, Cr₂O₃, NiCr₂O₄, ZnCr₂O₄, CoCr₂O₄, FeCr₂O₄, MnO, Mn₂O₃, Mn₃O₄, Co₃O₄, CoO, Cu₂O, Ag₂O, CoAl₂O₄, MgCr₂O₄, NiAl₂O₄ und PbO zusammengesetzt ist, und die katalytische Substanz mit der Eigenschaft des n-Typ-Halbleiters mindestens eine von TiO₂, BaTiO₃, Bi₂O₃, ZnO, WO₃, SrTiO₃, Fe₂O₃, FeTiO₃, KTaO₃, MnTiO₃, SnO₂, ZrO₂, CeO₂, In₂O₃, Al₂O₃, MgO, MgFe₂O₄, NiFe₂O₄, MnO₂, MoO₃, Nb₂O₅, SnO₂, SiO₂, PbO₂, V₂O₅, ZnFe₂O₄, ZnAl₂O₄, ZnCo₂O₄ und Ta₂O₅ ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Wasser innerhalb des Reaktors eine Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 1,0 ppm oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die reduzierende Atmosphäre Wasser mit hoher Temperatur mit einer Konzentration von gelöstem Wasserstoff von 30 ppb oder mehr umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem die reduzierende Atmosphäre eine Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die reduzierende Atmosphäre so eingestellt wird, dass das Korrosionspotenzial –0,4 V (SHE) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem das Oxid durch Steuern der wässrigen Umgebung derart, dass das Oxid mit der Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters direkt von einem Metallsubstrat selbst gebildet wird, gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem das Oxid durch Abscheiden von Atomen, die den p-Typ-Halbleiter bilden, auf der Oberfläche der Metallkomponente, und dann Steuern der wässrigen Umgebung derart, dass das Oxid mit der Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters auf der Oberfläche der Metallkomponente gebildet wird, abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem die Umwandlung des Oxidfilms, der auf der Oberfläche der Metallkomponente ausgebildet ist, den bestehenden Oxidfilm auf der Metalloberfläche durch Steuern der wässrigen Umgebung in das Oxid mit der Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters umwandelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, bei dem die Umwandlung des Oxidfilms auf der Oberfläche der Metallkomponente den bestehenden Oxidfilm auf der Metalloberfläche entfernt und den freigelegten Oberflächenabschnitt der Metallkomponente in einer reduzierenden Atmosphäre mit einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm und bei einem Korrosionspotenzial von –0,4 V (SHE) in ein Oxid mit der Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters umwandelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 14, bei dem die katalytische Substanz auf dem Oxidfilm durch ein Spritzverfahren, ein Flammenspritzverfahren oder ein wasserchemisches Injektionsverfahren abgeschieden wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kernreaktors, bei dem ein korrosionsbeständiger Oxidfilm auf einer Oberfläche einer Metallkomponente einer Reaktorstruktur ausgebildet ist, die Wasser mit hoher Temperatur in einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt ist, wobei der korrosionsbeständige Oxidfilm mit einem Verfahren ausgebildet wird, das einen Schritt des Bildens eines Oxidfilms, der das Steuern der Wasserstoffkonzentration in einem Kernreaktor, das Wachsenlassen des Oxids, das einen p-Typ-Halbleiter aufweist, in einer reduzierenden Atmosphäre, oder das Umwandeln eines bestehenden Oxidfilms, und einen Schritt des Abscheidens einer katalytischen Substanz umfasst, der das Abscheiden einer katalytischen Substanz, die einen n-Typ-Halbleiter als thermischen Anregungskatalysator umfasst, der durch Wärme angeregt wird, auf dem gebildeten Oxidfilm umfasst, wobei die Eigenschaft des p-Typ-Halbleiters in der reduzierenden Atmosphäre, in der die Wasserstoffkonzentration gesteuert ist, beibehalten wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Überwachen des Korrosionspotenzials an der Oberfläche der Metallkomponente zur Untersuchung der Eigenschaft des Oxidfilms, und Steuern der Wasserchemie in dem Reaktor zum Aufrechterhalten und Wiederherstellen eines korrosionsbeständigen Oxidfilms, wobei das Oxid, das den p-Typ-Halbleiter aufweist, einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 1 μm oder weniger aufweist und aus mindestens einem von Fe₃O₄, FeO, NiO, PdO, UO₂, WO₂, Cr₂O₃, NiCr₂O₄, ZnCr₂O₄, CoCr₂O₄, FeCr₂O₄, MnO, Mn₂O₃, Mn₃O₄, Co₃O₄, CoO, Cu₂O, Ag₂O, CoAl₂O₄, MgCr₂O₄, NiAl₂O₄ und PbO zusammengesetzt ist, und die katalytische Substanz mit der Eigenschaft des n-Typ-Halbleiters mindestens eine von TiO₂, BaTiO₃, Bi₂O₃, ZnO, WO₃, SrTiO₃, Fe₂O₃, FeTiO₃, KTaO₃, MnTiO₃, SnO₂, ZrO₂, CeO₂, In₂O₃, Al₂O₃, MgO, MgFe₂O₄, NiFe₂O₄, MnO₂, MoO₃, Nb₂O₅, SnO₂, SiO₂, PbO₂, V₂O₅, ZnFe₂O₄, ZnAl₂O₄, ZnCo₂O₄ und Ta₂O₅ ist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem während des Überwachens des Korrosionspotenzials an der Oberfläche der Metallkomponente der korrosionsbeständige Oxidfilm so aufrechterhalten wird, dass das Korrosionspotenzial eines Edelstahls, der die Metallkomponente bildet, –50 mV (SHE) oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem der korrosionsbeständige Oxidfilm durch Überwachen des Korrosionspotenzials an der Oberfläche der Metallkomponente derart, dass das Korrosionspotenzial einer Legierung auf Nickel-Basis, welche die Metallkomponente bildet, 0 mV (SHE) oder weniger beträgt, aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, bei dem dann, wenn der Oxidfilm auf der Metallkomponente die Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters verliert, der Oxidfilm in einer reduzierenden Atmosphäre behandelt wird, um die Eigenschaft eines p-Typ-Halbleiters wiederherzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem Wasserstoff entsprechend einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,3 ppm oder mehr injiziert wird, um die Eigenschaften des Oxidfilms auf der Metallkomponente aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem Wasserstoff entsprechend einer Speisewasser-Wasserstoffkonzentration von 0,7 ppm oder mehr in ein Reaktor-Primärkühlsystem und ein Kühlwasserkreislaufsystem injiziert wird, um die Eigenschaften des Oxidfilms auf der Metallkomponente wiederherzustellen.