水化学技術の標準化
（財）電力中央研究所 材料科学研究所 平野秀朗
- はじめに
我が国においては、昭和45年に軽水炉の商業運転が開始されて以来、平成20年3月現在55基（沸騰水型軽水炉32基、加圧水型軽水炉23基）の軽水炉が運転されており、その発電量は全発電量の約35%以上を占めている。軽水炉発電は、我が国の発電のベースロードとしてエネルギー供給の柱となり続けるものと考えられる。
軽水炉発電の運転に必要な水化学管理は、プラントの運転経験や技術の進歩を反映して様々な改良が加えられ、これまでプラント構成材料の腐食抑制、燃料健全性の維持、線量率低減等の面において多くの成果を挙げてきた。
原子力発電所が我が国で営業運運転を開始してから40年以上になる。原子力発電技術において、原子炉安全確保のため核物理、核燃料、原子炉制御、保健物理などは重要性が大きいとしてその必要性を改めて論じる人はいないが、設備の健全性の鍵を握っているにも係わらず「水化学」については、残念ながらその重要性が必ずしも関係者の間でも十分浸透しているとはいえない。
しかし、近年、水化学の様々な技術オプションが登場し、複雑・多様化している。このため、水化学管理について体系・統一的に整理し、水質管理の設定根拠を明確にするべしとの認識が高まった。このような背景のもと、電力中央研究所、電気事業および日本原子力学会・旧「水化学標準」研究専門委員会は、水化学管理の体系化に係わる研究活動を推進してきた。その後、JEAC4111「原子力発電所における安全のための品質保証規定」が制定され 、水化学管理に対しても品質保証が求められるようになり、化学分析方法、化学管理品質保証の体系化も進めることとなった。
- 水化学管理の体系化
2-1.火力発電所における水化学管理
火力発電所のボイラの給水及びボイラ水の水質は、ボイラの経済的運転及び安全上の重要な管理項目であり、JIS B 8223 「ボイラの給水及びボイラ水の水質」が1961年に制定され、その後、1969年、1977年、 1989年、1999年、2006年に改正された。JIS B 8223の制定と合わせ、ボイラの給水、ボイラ水及び蒸気の試験方法について規定したJIS B 8224 「ボイラの給水及びボイラ水－試験方法」が、1961年に制定され、その後 1969年、1986年、2005年に改正された。国内の火力発電所のボイラの給水及びボイラ水の水質の水質管理は、JIS B8223とB8224に基づいて実施されている。
2-2.軽水炉水化学管理の体系化への取組み
2-2-1. 軽水炉の水化学の運用・管理の体系化
火力のJIS B 8223 「ボイラの給水及びボイラ水の水質」に対応するものとしてBWRでは、BWR水化学管理書、一方、PWRでは、PWR一次系およびPWR二次系水化学管理書が挙げられる。
1)BWR水化学運用管理
BWRプラントの水化学管理は、主に以下の４項目を目的として実施されている。
・構成材料の健全性の確保
・燃料被覆管健全性の確保
・従事者被ばくの低減
・放射性廃棄物発生量の低減
近年は、プラント高経年化に対する予防保全の観点から応力腐食割れ（SCC）抑制対策のため、腐食電位を低減する技術として水素注入や、それと併用した貴金属注入などの技術オプションとして、プラントニーズにより採用されている。
BWR水化学管理書では，出力運転時および起動・停止時の水化学管理について，上記の目的を達成するための管理手法などを体系的に取り纏めた。
なお、BWR水素注入運用管理については、その詳細を別途記す必要があり、BWR水素注入管理書として取り纏められる予定である。
2)PWR一次系水化学運用管理
PWR一次系水化学管理は、主に以下の３項目を目的として実施されている。
・一次系構成材料の腐食抑制による健全性確保
・燃料被覆管の腐食抑制による健全性確保
・放射能の発生源・沈着抑制による被ばく低減
PWR一次冷却材系統は，原子炉容器（燃料集合体），蒸気発生器，一次冷却材ポンプおよびこれら主要機器を接続する一次冷却材配管で構成されている。出力運転中の系統に放射能の生成源となる炉心を含んでいることから，定期検査時の作業者の被ばく線量に留意する必要がある。PWR一次系水化学管理書では，出力運転時および起動・停止時の水化学管理について，上記の目的を達成するための管理手法などを体系的に取り纏めた。
3)PWR二次系水化学運用管理
PWR二次系では、蒸気発生器二次側で起こる沸騰及び蒸発に伴う不純物の局所的な濃縮による蒸気発生器伝熱管損傷の防止あるいは抑制することを中心とし、系統構成機器の腐食抑制とあわせて機器の健全性を確保することを目的としている。
・蒸気発生器の腐食抑制による健全性確保
・二次系構成機器の腐食抑制による健全性確保
PWR二次系水化学管理書では，出力運転時および起動・停止時の水化学管理について，上記の目的を達成するための管理手法などを体系的に取り纏めた。
2-2-2. 軽水炉の化学分析の体系化
水化学管理の基本となる化学種の分析値は、水試料の分析・計測によって求められるものであり、その分析・計測法は、得られた数値が広く信頼されるように広く一般に認知された方法が望ましい。火力のJIS B 8224「ボイラの給水及びボイラ水－試験方法」に対応するものとしてBWRでは、BWR化学分析標準法、一方、PWRでは、PWR化学分析標準法が挙げられる。
1)ＰＷＲ化学分析方法
ＰＷＲでは、JISに規定されていない、ほう素、放射性よう素、溶存水素、リチウム、トリチウム、全α放射能、全β(γ)放射能、γ線放出核種、放射性ストロンチウム等の１６の分析項目に関し標準分析法を作成する必要が有る。
2)BWR化学分析方法
BWRでは、ＰＷＲ化学分析方を参考に、JISに規定されていない、溶存水素、ほう素、過酸化水素、全α放射能、全β（γ）放射能、γ線放出核種、放射性ストロンチウム、トリチウム、放射性よう素および放射性希ガスに関する分析法を作成する。
2-2-3. 軽水炉の化学管理品質保証の体系化
原子力発電プラントの運転管理を実施している各事業者は、安全、安定運転を目的としたプラント運転に関する諸規則による法令要求事項、ならびに品質保証上の要求事項に基づき水化学管理を実施している。
法令要求事項の監視項目については、電気事業全体で検討を行っている。しかし、具体的な運用となる試料の採取頻度、採取方法、採取箇所などは各事業者に委ねられている。前述したように、JEAC4111「原子力発電所における安全のための品質保証規定」が制定され 、炉規則第７条「記録」においては「品質保証計画に関しての文章及び品質保証計画に従った計画、実施、評価及び改善状況の記録」が要求されている。
2-2-4. 軽水炉水化学管理の体系化の全体像
上述したように、軽水炉の水化学管理に関しては、BWRおよびPWRそれぞれについて、「水化学運用管理」、「分析方法」および「化学管理品質保証」があり、軽水炉水化学管理の全体の体系化像を図１に示す。
図１．軽水炉水化学管理の体系化の全体像
- 日本原子力学会 標準委員会 水化学管理分科会の設立と活動
上述したように、電力中央研究所、電気事業および旧「水化学標準」研究専門委員会における水化学管理の体系化の取組み、並びに原子力発電所の水化学管理についても広く国民の理解や信頼を得る必要があるとの社会的動向が高まっている。これを受け、学識経験者、電気事業者、プラントメーカ等の関係者が中心となり、水化学管理および化学分析に係わる学会標準を制定することを目的して、日本原子力学会標準委員会に水化学管理分科会の設立を提案し、2007年11月16日に承認された。
3-1.標準原案作成の実施体制
水化学管理分科会では、「化学分析標準」と「水化学管理指針」を作成することを計画している。本分科会およびその下に設置する（仮称）ＰＷＲおよびＢＷＲ作業会において、原案を作成し、標準委員会に諮ることにより、化学分析標準法、ＢＷＲおよびＰＷＲ水化学管理指針を策定することを計画している。「水化学管理指針」は日本原子力学会の標準として、「化学分析標準」はＪＩＳとして広く一般に公開することを予定している。標準作成の実施体制を図２に示す。
図２．標準原案作成・審議・制定までの体制
3-2.標準作成に係わる当面のスケジュール
水化学管理分科会では、ＰＷＲ化学分析標準法の策定を優先し実施しており、その後順次、ＢＷＲ水化学管理指針、ＰＷＲ一次系水化学管理指針、ＰＷＲ二次系水化学管理指針およびＢＷＲ化学分析標準法を作成する計画である。水化学管理分科会の標準作成に係わるスケジュール（案）を図３に示す。
図３．水化学管理分科会の標準作成に係わるスケジュール（案）
ＰＷＲ化学分析標準の作成では、（その１）として、「分析共通事項」および「ほう素分析」を、（その２）として、溶存水素、全α放射能、全β（γ）放射能、γ線放出核種、放射性ストロンチウム、トリチウム、放射性よう素および放射性希ガスに関する分析法を、（その３）として、放射性バリウム、放射性セシウム、クロム酸イオン、リチウム、過酸化水素、モノエタノールアミン、グリコール酸を順次作成する予定。
- 今後の課題
軽水炉の水化学標準の策定を進める上での今後の課題として、以下の項目が挙げられる。
1) 水化学管理分科会の下の標準作業会は、BWRおよびPWR一次系と二次系の水化学管理指針、並びにBWRとPWR分析化学管理標準法と多岐に亘る分野の標準を作成することになる。また、標準作成の過程においては、水質管理指針における管理値の設定および幾つかの化学分析方法等に関しては、ＢＷＲとＰＷＲとの間で整合・調整を取る必要がある。このため、作業会の体制を整備・強化する必要がある。
2) BWR水素注入標準に関しては、SCCのき裂進展速度抑制の観点から関連の深い機械学会の標準とするのか、また、化学管理品質保証の取扱い等について業界標準とするのか学会標準とするのか検討する必要がある。
3) 水化学標準は、制定後も常に新しい技術・情報を適宜取り込み、定期的に改正して行く必要があり、本分野における人材の育成と技術継承も重要な課題である。
- まとめ
1) 近年、水化学の様々な技術オプションが登場し、複雑・多様化している。このため、水化学管理について体系・統一的に整理し、水質管理の設定根拠を明確にするべきとの認識が高まった。このような背景のもと、電力中央研究所、電気事業者および日本原子力学会・旧「水化学標準」研究専門委員会等が中心となり、水化学の体系化に係わる先駆的な取組みがなされてきた。
2) 日本原子力学会・標準委員会の下に水化学管理分科会が設置され、原子力発電所の水化学管理の標準を策定することとなった。同分科会の当面のスケジュールとして、PWR化学分析標準法の策定を優先し、その後、順次、BWR水化学管理指針、ＰＷＲ一次系及び二次系水化学管理指針、BWR化学分析標準法を策定していく計画である。
3) 今後の課題として、標準策定に当たる水化学管理分科会の作業会の体制の整備・強化、および本分野における人材の育成と技術継承が挙げられる。