JP6672192B2 - 原子炉格納構造、気泡発生装置の操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉格納構造、気泡発生装置の操作方法に関する。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ）では、一次冷却材（軽水）が沸騰しないように加圧され、この一次冷却材が、原子炉の核分裂反応によって生じた熱エネルギーによって加熱される。そして、高温高圧となった一次冷却材が、蒸気発生器に送られて二次冷却材（軽水）を沸騰させ、発生した高温高圧の蒸気によってタービンが回り、発電機が発電する仕組となっている。

加圧水型原子炉には、一次冷却材の喪失事故時に、原子炉が加熱状態になるのを防止するために、保安構造が設けられている。保安構造は、再循環プール室、および、再循環ポンプ設備を備えている。再循環プール室は、原子炉が格納される原子炉格納室の下階に設けられ、原子炉格納室の床面に設けられた開口部を介して原子炉格納室に連通するとともに、床面にサンプが設けられ、非常用冷却液が貯留されている。再循環ポンプ設備は、サンプから非常用冷却液を吸い上げ、それを原子炉格納室内に吐出するように構成されている。これにより、原子炉格納室から開口部を通り再循環プール室に流入した非常用冷却液は循環（再利用）される。

ところで、事故発生時の原子炉建屋内では、配管破断などにより、保温材、コンクリート片、コンクリートから染み出した化学成分などの多様な異物（以下、デブリと称する）が発生する。原子炉建屋内には、これらのデブリを含んだ冷却液が散布され、内部を冷却した後に、原子炉建屋の下部に設置されている再循環プールに流れ込み、流れ込んだ冷却液中のデブリの一部は、沈んで底面に堆積する。

再循環プールは、冷却液の流速がサンプ近傍で局所的に増加し、冷却液のサンプへの流入が加速するように構成されている。そして、サンプスクリーン（濾過器）が、サンプ流入孔を覆うことにより、そこに流れ着いたデブリを濾しとり、デブリがサンプに流入しないように構成されている。

しかしながら、サンプ近傍での加速により、再循環プールの底面のうち、サンプスクリーンから離れた位置に堆積した多量のデブリが、底面を伝ってサンプスクリーン上に集まる。集まった多量のデブリは、このサンプスクリーンに付着してしまうため、サンプスクリーンを経由したサンプ流入孔が閉塞されて圧損上昇が発生することになる。

特開２０１５−３６６８７号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、サンプスクリーンに付着するデブリを減らすことが可能な、原子炉格納構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。

（１）本発明の一態様に係る原子炉格納構造は、原子炉が格納される原子炉格納室、および、前記原子炉格納室の下階に設けられた再循環プール室であって、開口部を介して前記原子炉格納室と連通するとともに、床面にサンプが設けられている再循環プール室、を備える原子炉格納容器と、前記サンプの周りを囲むように設けられた台座に設置され、前記サンプに流入する前記冷却液に含まれるデブリを分離するためのサンプスクリーン体と、前記再循環プール室の床面に設置された気泡発生装置と、を備えている。
（２）前記（１）に記載の原子炉格納構造において、前記サンプスクリーン体は、前記再循環プール室内の複数個所に備わっていてもよい。
（３）前記（１）または（２）のいずれかに記載の原子炉格納構造において、前記気泡発生装置は、前記原子炉格納室側からの平面視において、前記サンプスクリーン体を挟む両側に設置されていてもよい。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の原子炉格納構造において、前記再循環プール室には、前記冷却液に含まれるデブリを捕捉するためのデブリ捕捉部が設けられた浮体と、前記浮体と前記気泡発生装置とを繋ぐ係留索と、を含むデブリトラップが設けられていてもよい。
（５）前記（４）に記載の原子炉格納構造において、前記デブリ捕捉部は、前記浮体の高さ方向に沿って設けられ、前記浮体が前記冷却液の液面に浮かんだ状態において、前記デブリ捕捉部の一部が、前記液面から突出するように構成されていてもよい。
（６）前記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の原子炉格納構造において、前記気泡発生装置で発生させる気泡は、前記原子炉格納容器内の密閉された空間で循環する気体からなるものであってもよい。
（７）本発明の一態様に係る気泡発生装置の操作方法は、前記（１）〜（６）のいずれか一つに記載の原子炉格納構造を構成する、前記気泡発生装置の操作方法であって、前記気泡発生装置を用いて発生させる気泡の大きさを周期的に変える。

本発明の原子炉格納構造は、再循環プールの底面に気泡発生装置を備えており、これを用いて気泡を発生させることにより、沈み込もうとするデブリが、この気泡を巻き込み、気泡とともに浮上するようになる。したがって、再循環プールの底面に堆積するデブリを減らすことができ、その結果として、底面を伝ってサンプスクリーン上に集まり、そこに付着するデブリを減らすことができる。

（ａ）本発明の第一実施形態に係る原子炉格納構造の縦断面図である。（ｂ）（ａ）の原子炉格納構造の縦断面図のうち、一部分を拡大した図である。 本発明の第一実施形態に係る、原子炉格納構造の横断面の一部分を拡大した図である。 本発明の第一実施形態に係る原子炉格納構造に用いる、気泡発生装置の動作をイメージした図である。 本発明の第二実施形態に係る原子炉格納構造に用いる、気泡発生装置の動作をイメージした図である。 本発明の第三実施形態に係る原子炉格納構造の縦断面図である。 （ａ）図５の原子炉格納構造の縦断面図のうち、一部分を拡大した図である。（ｂ）（ａ）のデブリ捕捉部を拡大した図である。（ｃ）（ａ）の拡大図を別方向から見た図である。

以下、本発明を適用した実施形態に係る原子炉格納構造について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

＜第一実施形態＞
［原子炉格納構造の構成］
図１（ａ）は、本発明の第一実施形態に係る原子炉格納構造１００の構成を、模式的に示す縦断面図である。図１（ａ）に示すように、原子炉格納構造１００は、主に、原子炉格納容器１０と、再循環ポンプ設備２０と、サンプスクリーン体３０と、気泡発生装置４０とを備えている。

原子炉格納容器１０は、原子炉５１が格納される原子炉格納室５０と、原子炉格納室５０の下階に設けられ、冷却液Ｌを貯留する再循環プール室６０とを備えている。原子炉格納室５０と再循環プール室６０との境界部分（隔壁）には、開口部７０が形成されており、この開口部７０を介して両者が連通している。再循環プール室の床面（底面）６０Ａには、サンプ６１が設けられている。本実施形態では、サンプ６１が２つ設けられている場合を例示しているが、サンプ６１の数については１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

本実施形態に係る原子炉格納容器１０は、頂部がドーム状に形成された円筒状の容器であって、原子炉５１の他に、加圧器５２および蒸気発生器５３が格納されている。一次冷却材（軽水）は、この加圧器５２で加圧され、さらに原子炉５１の核分裂反応によって生じた熱エネルギーで加熱される。高温高圧となった一次冷却材は、蒸気発生器５３に送られ、二次冷却材（軽水）を沸騰させる。

原子炉格納容器１０の外部には、タービン５４、発電機５５、および復水器５６が備わっている。タービン５４は、蒸気発生器５３で沸騰した二次冷却材（蒸気）が送られることによって回転し、発電機５５を駆動する。タービン５４を回転させた蒸気は、復水器５６で復水され、二次冷却材となって蒸気発生器５３に送られる。このようにして、二次冷却材（軽水）は、蒸気発生器５３、タービン５４、および復水器５６の間を循環する。

サンプ６１は、図１（ａ）に示すように、再循環プール室の床面６０Ａのうち、原子炉格納室５０側からの平面視において開口部７０と重ならない位置に設けられていることが好ましい。この場合、開口部７０を通って再循環プール室６０に流入した冷却液Ｌが、再循環プール室６０を横断してサンプ６１に流入することになるため、局所的な滞留の発生を抑えることができる。

再循環ポンプ設備２０は、再循環プール室６０に貯留された冷却液Ｌを、サンプ６１から吸い込んで原子炉格納室５０の上部まで誘導し、そこから原子炉格納室５０内に吐出するように構成されている。具体的な再循環ポンプ設備２０としては、例えば図１（ａ）に示すように、サンプ６１から原子炉格納室５０の天井部に配設された配管２１、配管２１の途中に設けられた循環ポンプ２２、および原子炉格納室５０の天井部に設けられたシャワーノズル２３を備えているものが挙げられる。

再循環プール室６０に貯留された冷却液Ｌは、循環ポンプ２２によりサンプ６１から汲み上げられ、配管２１を通り、シャワーノズル２３から吐出される。そして、シャワーノズル２３から吐出された冷却液Ｌは、原子炉格納室５０に格納された機器を冷却した後に、開口部７０を通って再循環プール室６０に流入する。このようにして、冷却液Ｌは、サンプ６１、配管２１、シャワーノズル２３、原子炉格納室５０、再循環プール室６０の間を循環する。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の原子炉格納構造の縦断面図のうち、サンプスクリーン体３０を含む一部分Ｒ_１を拡大した図である。サンプスクリーン体３０は、サンプ６１の周りを囲むように設けられた台座３１に設置され、サンプ６１に流入する冷却液Ｌから、それに含まれるデブリを濾しとって分離する機能を有している。

サンプスクリーン体３０は、複数のサンプスクリーン３２から構成されている。複数のサンプスクリーン３２は、それぞれ、開口部をサンプ６１側に向けた箱状に形成され、その側面（４面）とその上面とに、デブリのサイズより小さい孔が複数設けられ、そこから冷却液Ｌが流入できるように構成されている。冷却液Ｌの水位がサンプスクリーン３２の高さを下回る場合には、サンプスクリーン３２の側面のみから冷却液Ｌが流入する。冷却液Ｌの水位がサンプスクリーン３２の高さを上回る場合には、サンプスクリーン４２の側面と上面の両方から冷却液Ｌが流入する。

図２は、図１のＡ−Ａ‘線で示す位置における、原子炉格納構造１００の横断面の一部分の拡大図である。サンプスクリーン体３０は、冷却液Ｌの吸込み効率の観点から、複数個所（図２では２箇所）に設置することが好ましい。また、サンプスクリーン体３０は、同様の観点から、構造物がなく、冷却液Ｌの流れが加速される領域に設置されていることが好ましい。

再循環プール室の床面には気泡発生装置４０が設置されている。広範囲にわたって、気泡を発生させられるようにするため、また、いずれの位置にあるサンプスクリーン体３０を用いる場合にも同様の効果を得るために、気泡発生装置４０は、特定の箇所に偏在しないように設置されている。

具体的には、気泡発生装置４０は、原子炉格納室５０側からの平面視において、サンプスクリーン体４０を挟む両側に設置されていることが好ましい。例えば、サンプスクリーン体３０が２箇所に設置されている場合、気泡発生装置４０は、図２のような３箇所（中央と左右両端）に設置されていることが好ましい。

図３は、本実施形態に係る原子炉格納構造１００に用いる、気泡発生装置４０の動作をイメージした図である。床面６０Ａに設置された気泡発生装置装置４０から、発射された複数の気泡Ｂは、装置近傍で一旦は放射状に広がるが、浮力が働いているため、装置から離れた位置では、一様に冷却液の液面Ｌ_１に向かって浮上して、デブリＰをブロックする。

発生させる気泡の大きさ、数密度については、冷却液中に存在するデブリの大きさ、数密度、種類、形状等に応じて適宜調整することが好ましい。例えば、気泡の大きさは、デブリに巻き込まれる程度の大きさであることが好ましい。また、気泡の数密度は、デブリに高確率で命中する程度の大きさであることが好ましい。気泡発生装置４０が複数個所に設置されていれば、装置ごとに、その設置箇所の近辺に存在するデブリに合わせた条件で、気泡を発生させることができるため、より好ましい。

なお、汚染防止の観点から、気泡発生装置４０で発生させる気泡Ｂは、原子炉格納容器１０内の密閉された空間で、循環する気体からなるものであることが好ましい。

以上のように本実施形態に係る原子炉格納構造１００は、再循環プールの床面６０Ａに気泡発生装置４０を備えており、これを用いて気泡Ｂを発生させることにより、沈み込もうとするデブリＰが、この気泡Ｂを巻き込み、気泡Ｂとともに浮上するようになる。したがって、再循環プールの床面に堆積するデブリＰを減らすことができ、その結果として、床面６０Ａを伝ってサンプスクリーン体に集まり、そこに付着するデブリＰを減らすことができる。

＜第二実施形態＞
本発明の第二実施形態に係る原子炉格納構造は、気泡発生装置が、冷却液中に供給する気体の流量を適宜調整する機能を有している。すなわち、本実施形態での気泡発生装置は、発生させる気泡の大きさ、数量（数密度）等を周期的に変える操作を行うことができ、この点において、第一実施形態での気泡発生装置４０と異なっている。

ここでの周期的に変える操作とは、一定の時間をおいて、例えば次の〔１〕、〔２〕ように気泡の大きさ、数量等を変えることを意味している。
〔１〕気泡の大きさについて：大→小→大、大→中→小→大
〔２〕気泡の数密度について：多→少→多、多→中→少→多

図４は、この気泡発生装置４０Ａの動作をイメージした図である。発生する気泡Ｂの大きさを周期的に変えることにより、様々な大きさの気泡Ｂからなる気泡群が、その浮上の過程、あるいは液面に到達した時点において、気泡発生装置４０Ａで発生する流れとは異なった二次的な流れ（渦）Ｆを形成する。そして、この二次的な流れＦが、気泡Ｂの浮遊経路から離れた位置にあって、直接は触れることができないデブリＰを巻き込んで浮上させることができる。

したがって、本実施形態では、気泡Ｂの大きさを一定とする場合に比べて、より多くのデブリＰを巻き込んで浮上させることができる。その結果として、再循環プールの床面に堆積するデブリＰを減らすことができ、ひいては、サンプスクリーン体に付着するデブリＰを減らすことができる。

＜第三実施形態＞
図５は、本発明の第三実施形態に係る原子炉格納構造３００の構成を、模式的に示す縦断面図である。図６（ａ）は、図５の原子炉格納構造３００のうち、デブリトラップ８０を含む一部分Ｒ_２の拡大図である。

図５、６（ａ）に示すように、原子炉格納構造３００では、再循環プール室６０に、冷却液Ｌに含まれるデブリを捕捉するためのデブリ捕捉部８１が設けられた浮体８２と、浮体８２と気泡発生装置４０とを繋ぐ係留索８３と、を含むデブリトラップ８０が設けられている。デブリトラップ８０は、さらに浮体８２の浮力を調整する錘８４を備えている。

デブリトラップ８０が開口部を遮蔽しないように、かつ、対照的な配置とするために、図５に示すように、気泡発生装置４０の数を４つにしている。これら以外の構成については、第一実施形態に係る原子炉格納構造１００の構成と同様である。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のデブリ捕捉部８１の拡大図である。デブリ捕捉部８１は、浮体８２の側方に貼り付けられた板状の部材８１Ａと、その外側の表面に設けられた複数の突起部（針、細ピン）８１Ｂとで構成されている。

板状の部材８１Ａは、その主面が冷却液の液面Ｌ_１と略垂直となっている。浮体８２が冷却液の液面Ｌ_１に浮かんだ状態において、デブリ捕捉部８１の一部が液面Ｌ_１から突出している。

図６（ｃ）は、図６（ａ）のデブリトラップ８０を含む一部分Ｒ_２を、別の方向から見た図である。デブリトラップ８０は、気泡発生装置４０の数と同数の錘８４を有している。デブリトラップ８０は、図６（ｃ）に示すように、各錘８４を介して気泡発生装置４０と連結されている。デブリが移送されるのをブロックするため、デブリトラップ８０は、冷却液Ｌの流路と垂直な方向に延在している。

散布された冷却液に含まれるデブリのうち比重が小さいものは、液面付近に漂う過程を経てサンプに流入することになるが、この過程でデブリ捕捉部８１に接触したデブリは、突起部８１Ｂに絡まって捕捉された状態となる。

以上のように、第三実施形態に係る原子炉格納構造３００では、図６（ａ）〜（ｃ）で示すデブリトラップ８０を備えることにより、液面に漂っているデブリを捕捉することができる。デブリトラップ８０は、気泡発生装置４０上の液面に固定されており、液面の振動に合わせて浮き沈みが可能な状態にある。そのため、例えば配管が破断して噴流が発生し、その影響で再循環プール内の冷却液の液面が激しく乱れた状態であっても、デブリトラップ８０は、液面に漂っているデブリを安定して捕捉することができる。

１００、３００・・・原子炉格納構造
１０・・・原子炉格納容器
２０・・・再循環ポンプ設備
２１・・・配管
２２・・・循環ポンプ
２３・・・シャワーノズル
３０・・・サンプスクリーン体
３１・・・台座
３２・・・サンプスクリーン
４０・・・気泡発生装置
５０・・・原子炉格納室
５１・・・原子炉
５２・・・加圧器
５３・・・蒸気発生器
５４・・・タービン
５５・・・発電機
５６・・・復水器
６０・・・再循環プール室
６０Ａ・・・床面
６１・・・サンプ
７０・・・開口部
８０・・・デブリトラップ
８１・・・デブリ捕捉部
８１Ａ・・・板状の部材
８１Ｂ・・・突起部
８２・・・浮体
８３・・・係留索
８４・・・錘
Ｂ・・・気泡
Ｌ・・・冷却液
Ｐ・・・デブリ

Claims (7)

1. 原子炉が格納される原子炉格納室、および、
   前記原子炉格納室の下階に設けられた再循環プール室であって、開口部を介して前記原子炉格納室と連通するとともに、床面にサンプが設けられている再循環プール室、を備える原子炉格納容器と、
   前記サンプの周りを囲むように設けられた台座に設置され、前記サンプに流入する冷却液に含まれるデブリを分離するためのサンプスクリーン体と、
   前記再循環プール室の床面に設置された気泡発生装置と、を備え、
   前記気泡発生装置が発生する気泡の大きさが周期的に変化することを特徴とする原子炉格納構造。
2. 前記サンプスクリーン体は、前記再循環プール室内の複数個所に備わっていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉格納構造。
3. 前記気泡発生装置は、前記原子炉格納室側からの平面視において、前記サンプスクリーン体を挟む両側に設置されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の原子炉格納構造。
4. 前記再循環プール室には、前記冷却液に含まれるデブリを捕捉するためのデブリ捕捉部が設けられた浮体と、前記浮体と前記気泡発生装置とを繋ぐ係留索と、を含むデブリトラップが設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子炉格納構造。
5. 前記デブリ捕捉部は、前記浮体の高さ方向に沿って設けられ、前記浮体が前記冷却液の液面に浮かんだ状態において、前記デブリ捕捉部の一部が、前記液面から突出するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の原子炉格納構造。
6. 前記気泡発生装置で発生させる気泡は、前記原子炉格納容器内の密閉された空間で循環する気体からなるものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の原子炉格納構造。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の原子炉格納構造を構成する、前記気泡発生装置の操作方法であって、
   前記気泡発生装置を用いて発生させる気泡の大きさを周期的に変えることを特徴とする気泡発生装置の操作方法。