改訂 原子炉水化学ハンドブック

改訂 原子炉水化学ハンドブック

日本および世界の原子炉水化学分野に関する知識と経験を網羅した原子炉水化学のバイブル。

ジャンル
発行予定日
2022/08/下旬
判型
B5
ページ数
398ページ
ISBN
978-4-339-06662-3
改訂 原子炉水化学ハンドブック
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定価

12,100(本体11,000円+税)

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  • 内容紹介
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日本および世界の原子炉水化学分野に関する知識と経験を網羅した原子炉水化学のバイブルといえる一冊。初版発行から約20年が経過したことを受け,記載内容をすべて見直しつつ,最新の情報へ更新した。
本書は初版と同じく「基礎編」と「応用編」から構成される。基礎編では関連する幅広い分野の基礎的事項を取り扱う。改訂に当たり,核分裂生成物の挙動に関する基礎事項を新たな章にまとめた。応用編ではプラントの構成や機器の概要,水化学分野の考え方や手法,運転実績などについて解説。福島第一原子力発電所の事故を受けて構築された,事故時・廃炉時にかかわる新たな水化学技術についての章を追加した。
水化学分野のみならず多くの関連分野の技術者や研究者の方々に幅広く利用いただけることを強く期待する。特に,今後の水化学を支えていく若手の技術者・研究者の方々にとって本書がその一助となればまことに幸いである。

☆発行前情報のため,一部変更となる場合がございます

改訂版まえがき

「原子炉水化学ハンドブック」の初版は,2000年12月に出版された。現・水化学部会の前身である水化学研究専門委員会の下に設置されたハンドブック編纂委員会(委員長:石榑顯吉東京大学名誉教授)が中心となり,産官学から70名を超える専門家が編纂に関わられた。当専門委員会の発足(1982年)から約20年にわたる活動の集大成であり,日本および世界の原子炉水化学分野に関する知識と経験を網羅した原子炉水化学のバイブルといえる一冊である。

初版発行からさらに約20年が経過したが,その間,原子力を取り巻く情勢は実に波乱万丈であった。2000年代初頭は国内外の事故の影響により逆境の時代にあったが,数年後には欧米を中心とした原子力の再評価が進み,原子力ルネッサンスとも謳われた。それも束の間,2011年の東日本大震災における原子力事故で再び厳しい世論に晒されることとなる。しかしそれでも,その後の世界的な気候変動対策として省エネ化や低炭素化などの要求が高まってくると,再び各国で原子力を持続的に活用すべきエネルギー源として位置付ける動きに転じている。

これまで原子炉水化学は,原子力全体の安全性および信頼性確保にかかる軽水炉利用の高度化(炉出力向上),燃料の高度化,プラントの高経年化対策といった諸課題にあまねく貢献すべく,冷却水に起因する課題(燃料や構造材料の健全性の維持・向上,線量率低減,廃棄物低減など)に盛んに取り組み,BWRやPWRにおいて,例えば貴金属注入,光触媒注入,高pH運転をはじめとして高度かつ多様な技術を築き上げてきた。その一方で,福島第一原子力発電所の事故に伴う,国内プラントの長期停止,汚染滞留水処理,廃止措置の加速といった,かつて経験することのなかった事象に対しても水化学は重要な役割を担うこととなった。その結果,既往の水化学分野の発展のみならず,新たなベクトルの水化学分野も確立されるに至った。

このように,水化学技術が年々高度化・多様化しつつ活躍の場を拡げていく一方で,それらを今後支えていく次世代の人材育成は喫緊の課題である。世代交代に伴う技術や経験の継承は,すでに平成初期からその重要性が指摘され,中長期的に堅実に進めるべき課題であることも広く認識されているが,それに取り組む環境は必ずしも楽観できるものではない。特に東日本大震災以降,多くのプラントが停止を余儀なくされ,現場における技術伝承の機会が大きく失われたまま10年以上が経過するというきわめて深刻な事態が続いている。さらに,(原子力界に限らない話ではあるが)近年の新型コロナウイルスの大流行により特に対面式の活動が大きく制限されたことも,産官学全体における人材育成のアクティビティ低下に拍車をかける要因となっている。

以上のような背景から,水化学部会では,今後の多くの技術者・研究者に役立てていただけるような情報基盤を改めて整備することが必要不可欠であると考えた。

「原子炉水化学ハンドブック」は初版発行から約20年が経過したこともあり,徐々に古い情報が散見されるようになってきたことから,これを機に記載内容をすべて見直しつつ最新の情報も網羅した改訂版の発行を計画・実施することとなった。本書は,初版と同じく「基礎編」と「応用編」から構成される。基礎編では関連する幅広い分野の基礎的事項を取り扱うが,基礎研究も日進月歩であり,初版において古い知見と判断されるものはすべて最新の知見へ更新した。それに加えて近年,水化学部会を中心として核分裂生成物の挙動に関する研究も進められ(「シビアアクシデント時の核分裂生成物挙動」研究専門委員会。主査:勝村庸介東京大学名誉教授),事故時の水化学にも深く関わる内容であることから,これに関する基礎事項を新たな章にまとめることとした。応用編では,プラントの構成や機器の概要,水化学の考え方や手法,運転実績などについて解説しているが,この約20年間に達成された多くの技術進展や運転実績に関する最新の情報もふんだんに盛り込んだ。さらに,福島第一原子力発電所の事故を受けて,炉内・炉外の腐食対策や汚染滞留水処理といった事故時・廃炉時にかかわる新たな水化学技術も構築されているため,これに関する章も新たに追加した。

本書は,現時点における水化学分野の全体を俯瞰しつつ最新の知識や経験を集大成したものであり,水化学分野のみならず多くの関連分野の技術者や研究者の方々に幅広く利用いただけることを強く期待する。特に,今後の水化学を支えていく若手の技術者・研究者の方々にとって本書がその一助となればまことに幸いである。

最後に,原稿の改訂・執筆に御協力いただいた多くの専門家の方々,および編集に当たり多大なるサポートをいただいたコロナ社の方々に深く感謝の意を表する。

2022年7月
一般社団法人日本原子力学会 水化学部会
原子炉水化学ハンドブック改訂ワーキンググループ
主査 室屋裕佐


初版まえがき

わが国における軽水炉による原子力発電は,1970年に敦賀1号機の運転が開始されて以来着実な進展を遂げ,2000年7月現在で,BWR28基およびPWR23基のプラントが運転されており,その総発電量は全電力量の約37%に及んでいる。過去30年にわたる原子力発電プラントの運転経験は,原子炉冷却系の水化学管理が発電プラントの安全性と信頼性を確保するうえできわめて重要な技術であることを示してきた。

運転経験の浅い1970年代に軽水炉プラントはステンレス鋼配管の応力腐食割れ,蒸気発生器伝熱管の腐食トラブルや機器・配管の線量率の増大など,水環境と材料の相互作用に関わるいくつかのトラブルを経験した。このトラブルの発生が契機となって,水化学の研究開発が開始され,その後大きく発展し,今日に至っている。このようにわが国における水化学技術は,プラントにおいて発生したトラブルを解決するためのトラブルシューティング技術として出発したが,その後関係者の精力的な努力により初期のトラブルの解決が図られたばかりでなく,技術の高度化が進められ,被ばく線量の低減などの面で世界のトップクラスの実績を達成するに至り,国際的にも高く評価されている。

当初プラントにおけるトラブル解決のための技術であった時期において,水化学技術は同形のプラントが同一の技術を採用するという,画一的で統一的なものであった。しかしトラブルの解決が一段落すると,同じ炉形でもプラントごとに異なった水化学挙動を示す傾向がしだいに顕著になり,この対応策や現象の理解が求められることとなった。一方,活発な研究開発が進められた結果,水化学技術は高度化されると同時に多様化し,数多くの手法が技術選択肢として提案され,用意されるに至っている。このような状況にあっては,プラントごとの特徴に配慮して,複数の選択肢の中から最適化された技術を選び,これを組み合わせて使用していくことが求められる。さらに,近年運転年数の増大したプラントが増え,プラントの高経年化対策が重要な課題であるが,水化学技術においても,将来おこるかもしれない事象を予測して,これにあらかじめ対処する予防保全的な技術が重要となっている。

これまで述べてきた経緯のなかで,日本原子力学会は,産官学が連携して水化学技術の発展を図るため,水化学研究専門委員会を1982年に発足させ,それ以降今日に至るまで20年近くにわたって,活発な活動を続けてきた。同研究専門委員会は,関連する技術と基礎的な事項について調査・研究を実施するばかりでなく,水化学の国際会議や国際セミナー,ワークショップなどをわが国で開催するほか,1期4年の活動期間ごとに,活動の成果を取りまとめた成果報告書の刊行を行ってきた。しかし各期ごとの成果報告書では,内容が断片的になりやすく,全体を展望できるものを求める声もあった。

原子力界の他の分野と同じように,水化学においても今や世代交代の時期を迎えている。初期に現場で大変苦労された世代の専門家がしだいに一線を退かれる時期に当たっており,この貴重な経験を次の若い世代に継承していくことが急務となってきた。また,すでに述べたように,水化学技術は近年著しく高度化し多様化した結果,全体として大変複雑でわかりにくいものとなっている。水化学は燃料や材料の健全性の確保とも密接にかかわる技術であるから,技術の内容が関連する他分野の専門家にも正しく理解されることが必要である。

水化学研究専門委員会(当時は水化学高度化研究専門委員会)は,このような状況に鑑み,原子炉水化学ハンドブックを出版することを決定し,ハンドブック編纂委員会を設置して,その内容について長期間にわたり討議を重ねてきた。この結果に基づいて,多くの専門家に原稿の執筆を依頼し,その内容の吟味を繰り返して,ここに出版に至ることができた。

本ハンドブックは水化学研究専門委員会の過去20年近くに及ぶ活動の成果の総決算ともいうべき内容のものであり,基礎編と応用編の2編から構成されている。基礎編では関連する幅広い分野の基礎的事項につき,必要なデータを網羅して解説している。応用編はプラントの構成や機器の概要,水化学における運転経験,考え方や手法について解説したものである。いずれも,なるべく大勢の方に読んでいただけるよう,極力わかりやすい内容とすることを心掛けたつもりである。

これまでに述べてきたことから理解いただけるように,本ハンドブックは,原子炉水化学の分野における今日までのわが国のみならず世界の知識と経験を,基礎データも含めて集大成したもので,水化学の専門家ばかりでなく,関連する他分野の専門家,さらにはより広く一般の技術者,研究者にも,大いに役立つものと自負しており,座右の書として利用していただくことを期待している。

最後に,ボランティアとして原稿を執筆いただいた方々および編集をお願いしたコロナ社の方々に,心から感謝の意を表したい。

2000年10月
原子炉水化学ハンドブック編纂委員会
委員長 石榑顯吉

☆発行前情報のため,一部変更となる場合がございます

Ⅰ. 基礎編

1. 水化学の基礎

1.1 高温水の基礎物性
 1.1.1 水の分子構造
 1.1.2 誘電率(ε)
 1.1.3 解離定数(イオン積K_w)
 1.1.4 表面張力
 1.1.5 気体の溶解度
 1.1.6 固体の溶解度
1.2 超臨界水の物性と諸特性
 1.2.1 熱容量
 1.2.2 密度-温度-圧力ダイアグラム
 1.2.3 誘電率
 1.2.4 解離定数(イオン積K_w)
 1.2.5 溶解特性
 1.2.6 輸送物性
 1.2.7 水素結合
 1.2.8 超臨界水の応用
1.3 高温水系の熱力学
 1.3.1 水溶液の熱力学
 1.3.2 高温における水溶液の熱力学
1.4 酸化物の物性
 1.4.1 遷移金属酸化物の諸物性
 1.4.2 等電点
 1.4.3 酸化物への吸着
1.5 電気化学の基礎
 1.5.1 電気化学の体系
 1.5.2 平衡電極電位
 1.5.3 電極反応速度
 1.5.4 分極曲線と活性態,不動態
 1.5.5 腐食電流と腐食電位
 1.5.6 電気化学測定法
1.6 冷却水浄化技術
 1.6.1 イオン交換樹脂概説
 1.6.2 イオン交換の基礎
 1.6.3 粒子除去機構
1.7 水質関連測定技術
 1.7.1 冷却水中の微量元素分析
 1.7.2 ガス中の微量元素分析
 1.7.3 固体中の微量元素分析と形態分析
 1.7.4 高温水の直接測定
1.8 放射化学の基礎
 1.8.1 核の壊変
 1.8.2 天然放射性核種
 1.8.3 核反応と放射性核種の生成
 1.8.4 ホットアトム化学
 1.8.5 放射性核種の利用
1.9 水の放射線化学
 1.9.1 水の放射線分解
 1.9.2 高温水の放射線分解
1.10 放射能測定技術
 1.10.1 測定原理と測定器
 1.10.2 各種測定器の特徴
 1.10.3 原子力発電所での放射能測定
引用・参考文献

2. 原子炉における水の役割
2.1 減速材としての水
 2.1.1 減速材の役割
 2.1.2 減速材の必要条件
 2.1.3 減速材としての水の役割
2.2 冷却材としての水
 2.2.1 冷却材の役割
 2.2.2 冷却材の必要条件
 2.2.3 冷却材としての水の役割
2.3 遮へい材としての水
 2.3.1 遮へい材の役割
 2.3.2 遮へい材の必要条件
 2.3.3 遮へい材としての水の役割
引用・参考文献

3. 原子炉材料の基礎
3.1 原子炉構造材とその腐食
 3.1.1 金属の腐食反応とその抑制法
 3.1.2 不動態化金属・合金に見られる腐食損傷
 3.1.3 腐食モニタリングおよび腐食試験法
3.2 燃料被覆材とその腐食
 3.2.1 燃料被覆材の種類と性質
 3.2.2 ジルコニウム合金の腐食反応の基礎103
 3.2.3 ジルコニウム合金の腐食機構
 3.2.4 ジルコニウム合金の腐食への水質の影響
 3.2.5 腐食試験法
引用・参考文献

4. 核分裂生成物
4.1 核分裂生成物の生成,壊変,放射化,そして蓄積
 4.1.1 核分裂生成物の生成
 4.1.2 核分裂生成物の壊変
 4.1.3 中性子照射による核変換
 4.1.4 核分裂生成物の燃料体中の蓄積
 4.1.5 崩壊熱
4.2 核分裂生成物の挙動
 4.2.1 主要な核分裂生成物の特性
 4.2.2 通常運転時の挙動
 4.2.3 温度上昇に伴う燃料体からの放出挙動
 4.2.4 燃料損傷時の挙動
 4.2.5 燃料再処理時の挙動
 4.2.6 シビアアクシデント時の挙動
4.3 水化学と核分裂生成物の相関
4.4 核分裂生成物と燃料デブリの相関
引用・参考文献

Ⅱ. 応用編

5. 原子力発電プラントの概要

5.1 わが国の軽水炉の歴史的変遷
 5.1.1 軽水炉技術開発の歩み
 5.1.2 PWR発電所の変遷
 5.1.3 BWR発電所の変遷
5.2 原子炉冷却系システム
 5.2.1 PWRの原子炉冷却系システム
 5.2.2 BWRの原子炉冷却系システム
5.3 原子炉冷却水の概要
 5.3.1 PWRにおける原子炉冷却水の概要
 5.3.2 BWRにおける原子炉冷却水の概要
引用・参考文献

6. PWR1次冷却系の水化学管理
6.1 水化学管理の目的
 6.1.1 ホウ素濃度の管理
 6.1.2 1次系構成材料の健全性確保
 6.1.3 燃料健全性確認のためのモニタリング
 6.1.4 被ばく低減のための水化学管理
6.2 1次系の系統構成
 6.2.1 1次冷却設備
 6.2.2 化学体積制御設備
 6.2.3 余熱除去設備
6.3 水化学管理基準
 6.3.1 設定根拠
 6.3.2 海外の水化学管理基準
6.4 構造材健全性の確保
 6.4.1 SUS材のSCC
 6.4.2 高ニッケル合金のPWSCC
6.5 燃料健全性の確保
 6.5.1 PWRの燃料集合体
 6.5.2 被覆管の環境と腐食
 6.5.3 PWR燃料の健全性
 6.5.4 被覆管健全性の監視
 6.5.5 燃料シッピング検査
6.6 放射性腐食生成物の挙動
 6.6.1 被ばく線源の状況
 6.6.2 発生,放射化および移行挙動の概要
 6.6.3 挙動解析モデル
 6.6.4 線量当量率低減対策
6.7 運転操作と水化学管理手法
 6.7.1 水化学管理の変遷
 6.7.2 試運転時
 6.7.3 起動操作時
 6.7.4 出力運転時
 6.7.5 停止操作時
 6.7.6 水質調整設備
 6.7.7 放射性廃液処理設備
6.8 サンプリング(試料採取)と分析方法
 6.8.1 測定の目的と意義
 6.8.2 サンプリング設備(試料採取設備)
 6.8.3 分析方法
 6.8.4 モニタリング
6.9 データ管理システム
引用・参考文献

7. PWR2次冷却系の水化学管理
7.1 2次系水化学管理の目的
7.2 2次系の系統構成
 7.2.1 復水脱塩装置
 7.2.2 SGブローダウン回収設備
 7.2.3 クリーンアップ設備
7.3 水化学管理仕様
 7.3.1 SGクレビス環境評価
 7.3.2 ナトリウムおよび塩化物イオン
 7.3.3 硫酸イオン
 7.3.4 pHコントロール
 7.3.5 カチオン電気伝導率
 7.3.6 溶存酸素
 7.3.7 ヒドラジン
 7.3.8 全鉄
 7.3.9 全銅および全ニッケル
 7.3.10 シリカ
 7.3.11 海外の水化学管理値
7.4 構造材健全性の確保
 7.4.1 構造材の腐食環境
 7.4.2 腐食生成物(鉄酸化物)の挙動と析出
 7.4.3 SG伝熱管腐食の防止
 7.4.4 SG器内付着スケール除去対策
 7.4.5 2次系機器の腐食防止
7.5 運転操作と水化学管理法
 7.5.1 水化学管理の変遷
 7.5.2 建設試運転時
 7.5.3 起動操作時
 7.5.4 通常運転時
 7.5.5 停止時
7.6 水質調整設備
 7.6.1 浄化設備
 7.6.2 薬注設備
 7.6.3 排水処理設備
7.7 モニタリングと不純物分析
 7.7.1 水質モニタリング2117.7.3異常時の化学管理
 7.7.2 分析方法
引用・参考文献

8. BWR1次冷却系の水化学管理
8.1 水化学管理の目的
 8.1.11 次系構成材料の健全性の確保
 8.1.2 放射線被ばく線量の抑制
 8.1.3 放射性廃棄物発生量の抑制
8.2 系統構成と材料
 8.2.1 原子炉1次系構成
 8.2.2 材料選択
8.3 水化学管理基準
 8.3.1 国内BWRプラントの水化学管理基準
 8.3.2 海外BWRプラントの水化学管理基準
8.4 構造材健全性の確保
 8.4.1 炉内の腐食環境評価
 8.4.2 水素注入の実績
 8.4.3 貴金属注入の実績
 8.4.4 酸化チタン注入の実績
 8.4.5 材料健全性
8.5 燃料健全性の確保
 8.5.1 BWR燃料集合体
 8.5.2 BWR燃料の健全性
 8.5.3 燃料健全性モニタリング
 8.5.4 燃料シッピング検査
8.6 放射性腐食生成物の挙動
 8.6.1 生成および移行挙動の概要
 8.6.2 主要な腐食生成物の発生源
 8.6.3 挙動解析モデル
 8.6.4 線量率低減対策
8.7 運転操作と水化学管理手法
 8.7.1 プラント運転操作と水化学管理
 8.7.2 プラント起動時の水化学管理
 8.7.3 プラント停止操作時の水化学管理
 8.7.4 プラント停止期間中の水化学管理
8.8 浄化法
 8.8.1 BWR1次冷却水系浄化設備
 8.8.2 浄化設備による不純物除去
8.9 サンプリングと分析方法
 8.9.1 測定の目的と意義
 8.9.2 サンプリング法
 8.9.3 濃縮法
 8.9.4 分析法
 8.9.5 分析に当たっての留意事項
8.10 放射性廃棄物発生量への影響緩和
 8.10.1 冷却水水化学制御と放射性廃棄物の関連
 8.10.2 放射性廃棄物処理システムの概要
 8.10.3 水化学制御法改善による廃棄物発生量の変化
 8.10.4 1次冷却水の最適水化学制御と放射性廃棄物発生量低減の両立
引用・参考文献

9. その他の炉型での水化学管理
9.1 世界の原子力発電所
9.2 VVER炉
9.3 CANDU炉
9.4 ガス冷却型炉
9.5 黒鉛減速沸騰軽水冷却炉(RBMK)
9.6 高速増殖炉(LMFBR)
9.7 新型転換炉(ATR)
 9.7.1 概要
 9.7.2 原子炉冷却水の水化学管理
 9.7.3 重水系の水化学管理
 9.7.4 重水精製装置の水化学管理
引用・参考文献

10. 除染
10.1 除染の目的と方法
 10.1.1 除染の目的
 10.1.2 除染法の分類と特徴
 10.1.3 化学除染の開発・適用の経緯
 10.1.4 除染における材料の健全性評価
 10.1.5 除染の実機への適用方法
 10.1.6 除染廃棄物・廃液の処理方法
 10.1.7 除染の評価方法
 10.1.8 除染後の再汚染抑制方法
10.2 除染の適用実績
 10.2.1 わが国における適用実績と実施例
 10.2.2 欧米における適用実績
引用・参考文献

11. 福島第一原子力発電所事故後の水化学管理
11.1 福島第一原子力発電所事故の概要および水化学管理の課題
11.2 機器の腐食課題と水化学的対策
 11.2.1 福島第一原子力発電所事故直後の腐食環境
 11.2.2 機器の構造と腐食課題
 11.2.3 水化学的な腐食対策活動
11.3 福島第一原子力発電所の汚染水対策
 11.3.1 汚染水対策の概要
 11.3.2 汚染水処理の概要
 11.3.3 セシウム除去設備の目的および構成構成
 11.3.4 多核種除去設備の目的および構成
 11.3.5 サブドレン他水処理設備の目的および
11.4 放射線分解および水素発生
 11.4.1 海水系での水の放射線分解
 11.4.2 ヨウ素系での水の放射線分解359評価
 11.4.3 高線量放射性廃棄物による水素発生量
引用・参考文献

略語表
索引

室屋 裕佐(ムロヤ ユウサ)

杉野 亘(スギノ ワタル)

赤峰 浩司(アカミネ コウジ)

阿部 博志(アベ ヒロシ)

内田 俊介(ウチダ シュンスケ)

河村 浩孝(カワムラ ヒロタカ)

込山 有人(コミヤマ スミト)

荘田 泰彦(ショウダ ヤスヒコ)

高木 純一(タカギ ジュンイチ)

長瀬 誠(ナガセ マコト)

塙 悟史(ハナワ サトシ)

久宗 健志(ヒサムネ ケンジ)

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